CC BY
52
УДК 621.048.6:004.942 Е.М. ТАМАРКИНА
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ВИБРАЦИОННОЙ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛЕЙ НА ОСНОВЕ КОМПЬЮТЕРНОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Методами компьютерного моделирования синтезирован ряд новых форм и компоновок составных рабочих камер вибрационных станков с дополнительными конструктивными элементами, повышающими производительность процесса. Разработанные схема и конструкция камеры позволяют до трех раз увеличить интенсивность обработки за счет создания дополнительного давления в технологической среде и синхронного вибровозбуждения днища и верхней крышки.
Ключевые слова: вибрационная обработка, гранулированная среда, вибровозбуждение, конструкция вибростанка, компьютерное моделирование, динамика рабочей среды.
Введение. В технологии машиностроения и приборостроения вибрационные процессы получили широкое применение при решении задач отделки, зачистки, скругления острых кромок, удаления заусенцев, упрочнения динамическим поверхностным пластическим деформированием [1]. С начала 60-х годов 20-го века, когда процесс вибрационной обработки (ВиО) начал распространяться в отечественном машиностоении, область его эффективного применения расширилась как в связи с созданием большой гаммы вибрационных станков, так и за счет создания новых разновидностей процесса (электрохимическая, электрофизическая, стабилизирующая вибрационная обработка [1]).
Классическая схема вибрационного станка, показанная на рис. 1, дает наглядное представление о процессе.
Рис. 1. Схема процесса вибрационной обработки: 1 - основание; 2 - деба-лансный вибратор; 3 - упругие элементы; 4 - рабочая камера; 5 - обрабатываемая деталь; 6 - рабочая среда;7 - технологическая жидкость; 8 - помпа
Возбуждаемый вращением дебалансного вибратора контейнер приводит в циркуляционное движение массу загрузки, куда входят технологические (чаще всего, абразивные или стальные сферические) гранулы и обрабатываемые детали. Ударное режущее и деформационное множественное действие гранул и оказывает требуемый технологический эффект, оцениваемый улучшением шероховатости и (или) упрочнением поверхностного слоя и созданием сжимающих остаточных напряжений. Для большого класса деталей, особенно сложной конфигурации, процесс является безальтернативным или заменяющим тяжелый и непроизводительный ручной труд. Постановка задачи. Однако на пути применения процесса очень часто возникает препятствие, связанное с тем, что при обработке изделие размещается внутри контейнера. Если изделие велико, имеет сложную форму, малую жесткость, внутренние полости, подлежащие обработке, контейнер для него, а зачастую и вибростанок, приходится создавать именно под это изделие. Та же проблема возникает при обработке больших количеств малых деталей. В этом случае приходится использовать крупные контейнеры, а интенсивность воздействия технологической среды на обрабатываемое изделие в них, как правило, значительно выше, чем в малых и средних, что может привести к искажению формы деталей (очень большие и неравномерные радиусы скругления кромок, смятие и т.д).
Несмотря на простоту конструкции вибрационных станков, удачные попытки создания новых нестандартных вибростанков сравнительно редки. Известны случаи, когда незначительное изменение одного из габаритных размеров контейнера, положения, конструкции вибратора, подвески или смена рабочей среды приводили к совершенно неудовлетворительной динамике работы станка: движение среды было медленным, неустойчивым, характеризовалось образованием нежелательных потоков. Такое положение вызвано тем, что, несмотря на многолетние исследования процесса, попытки построения методик расчета конструкции вибростанков, в настоящее время отсутствуют сколько-нибудь обоснованные и испытанные на практике методы их проектирования. Отсутствие расчетных методик не дает возможности реализовать новые конструкции, потребность в которых вызвана необходимостью встраивания в производственный поток, улучшения производительности и качества обработки.
Это обстоятельство объясняется тем, что за внешней простотой конструкции вибростанка кроется большая сложность развивающихся при его работе процессов. Даже решение задачи о возбуждении колебаний контейнера с нужной формой траектории практически невозможно без использования достаточно мощных вычислительных средств, так как подвеска контейнера представляет собой колебательную систему с большим числом степеней свободы. Кроме того, вибровозбудитель, совершая колебания вместе с контейнером, испытывает воздействие инерционных сил, передающихся двигателю конечной мощности. Учет этого явления представляет весьма сложную нелинейную задачу. Однако наиболее сложна для расчета динамика массы загрузки гранулированной среды. Эффективно работающий вибростанок должен обеспечить движение среды с необходимой интенсивностью и устойчивостью. Но именно моделирование этого движения (конечно, об аналитической оптимизации здесь речи не идет) и представляет наибольшие трудности.
Наибольшие успехи в моделировании движений различных гранулированных систем связаны с использованием компьютерного моделирования [2-4], рассматривающего индивидуальные акты взаимодействия технологических гранул друг с другом, поверхностями вибрационной камеры и обрабатываемых деталей. В соответствии с этим подходом была поставлена и решена задача проектирования контейнеров вибростанков, обеспечивающих оптимальную производительность. Следует иметь в виду, что из-за ограниченной производительности вычислительных устройств количество частиц, которые можно вовлечь в процесс моделирования, бывает ограничено всего единицами тысяч, что, конечно, несоизмеримо с числом гранул в реальном контейнере. Поэтому другой актуальной задачей является разработка методики масштабирования, которая позволила бы перенести закономерности динамического и технологического поведения массы загрузки, полученные на малой модели, на натурную систему.
Методы испытаний. Разработанная специально для моделирования динамики ограниченных объемов гранулированных тел в областях, ограниченных свободными, неподвижными и движущимися поверхностями, система компьютерного моделирования Gran Mos позволяет, задав форму поверхности вибрационной камеры, закон ее движения и параметры взаимодействия с частицами среды (коэффициент трения и нормального восстановления) форму и массу обрабатываемых деталей, получить траекторию и скорость каждой частицы изучаемого объема среды. Основные характеристики программы (версия 10.2000) приведены ниже.
Основные реализуемые функции
- Генерирование границы области со сплайновой структурой, задание законов ее движения и взаимодействия с гранулами среды.
- Генерирование исходной конфигурации и кинематического состояния ансамбля гранул.
- Прямое моделирование движения ансамбля гранул с использованием ускорения при работе на мультипроцессорных платформах.
- Визуализация движений в смоделированной системе с использованием компонентов DirectDraw пакета DirectX.
- Определение комплекса динамических, транспортных и технологических характеристик смоделированной системы в произвольно выделяемых областях.
Количественные характеристики моделируемых систем
Количественные ограничения: общее число гранул 2-5000.
Физические ограничения: размер гранул 1-20 мм.
Линейная плотность заполнения объема средой <0,998.
Максимальная мгновенная скорость гранул <5 м/с.
Максимальная мгновенная скорость произвольного участка границы
< 2 м/с.
Постоянная времени, характеризующая скорость кинематического возбуждения среды границей, > 10 мс.
Возможности управления процессами моделирования и визуализации
- Модели движения и взаимодействия частиц, их количество, структура границы и её кинематика формируются встроенными редакторами.
- Сеанс моделирования может быть остановлен в любой момент, при необходимости сохранен и продолжен с того же места.
102
- Движение частиц при моделировании визуализируется, причем каждая взаимодействующая пара в текущий момент времени (частица - частица, частица - элемент границы) может быть выделена цветом. Моделирование динамики среды в виброкамерах различных форм. Для разработки конструкции вибрационной камеры с высокой равномерностью технологического воздействия (по сечению камеры) было проведено моделирование динамики среды в виброкамерах нескольких форм. Полученные данные позволяют сравнить эффективность четырех различных компоновок камер с эллиптическими линиями тока рабочей среды. Целесообразность выбора в качестве объекта исследования именно этих камер обусловлена широкой распространенностью и изученностью камеры - прототипа (и-образная), а также сравнительной простотой конструкций, изображенных на рис.2.
~^гп птт
а) 6) в) г)
Рис.2. Схемы вибрационных камер, исследованных методом прямого компьютерного моделирования: а - стандартная и-образная; б - виброкамера с фиксированными стенками; в - виброкамера с зафиксированными стенками и верхней крышкой; г - составная виброкамера с неподвижными стенками и синфазно движущимися дном и крышкой
Все камеры имели длину 300 мм, цилиндрическое дно, оснащались полиуретановой облицовкой. Среда - фарфоровый шар диаметром 9 мм. Закон движения рабочего органа - эллипс с большей вертикальной полуосью 3 мм и малой горизонтальной полуосью 2 мм, частота вибрации 30 Гц. Для каждой камеры выполнялось моделирование при двух высотах загрузки: 220 и 260 мм. Такие параметры вибрации камер и массы загрузки были выбраны для того, чтобы зарегистрировать качественные и количественные различия движений рабочей среды. Перед началом моделирования скорости частиц были полностью рандомизированы.
Результаты моделирования всех камер были проанализированы, и исходя из этого анализа наиболее эффективной была признана следующая конструкция виброкамеры: и-образная форма с неподвижными боковыми стенками и верхней крышкой, вибрирующей синфазно с дном (модель г на рис.2), высота загрузки 260 мм. Интерес к этой схеме вызван особенной простотой ее реализации, так как жестко связанные дно и крышка совершают синфазные колебания, создаваемые общим приводом. Эта схема имеет наивысшие показатели интенсивности скоростей потока частиц и создаваемых ими остаточных напряжений по сравнению со всеми другими. При полной загрузке камеры эффективность действия крышки возрастает за счет более частых контактов со средой. Область интенсивных средних напряжений в потоке выше 3 кПа занимает более % объема камеры. Средняя скорость среды по внешней линии тока достигает 20 см/с. Г идростати-ческий эффект (рост напряжений по глубине) выражен в наименьшей сте-
пени, что связано с активацией верхней поверхности среды вибрирующей крышкой.
Анализ проведенного моделирования показал, что использование неподвижных боковых стенок позволяет при тех же размерах камеры и параметрах вибрации днища увеличить скорость циркуляции среды на 2030%. Наложение верхней крышки, ограничивающей среду и повторяющей форму ее свободной поверхности, позволяет дополнительно увеличить средние напряжения в среде. Представляется естественным ожидать совместного увеличения напряжений и скорости при синхронном вибрировании днища и верхней крышки.
Построенные модели были модифицированы так, чтобы обеспечить синфазное движение верхнего и нижнего днищ. Объем загрузки был выбран таким, чтобы основная часть частиц верхнего слоя контактировала с верхней крышкой. Размеры камеры в сечении составляли 320х300 мм, характеристики вибраций амплитуды колебаний: Ах=2 мм, Ау=3 мм; начальные фазы: фх=я/2, фу=0; коэффициенты восстановления и трения при взаимодействии частиц среды равны соответственно: Р=0,6, у=0,3.
N=534 Г=30 Нг
Ах=2 шт фх=л/2 Ау=3 тт фу=0 11=0.6 у=0.3
Рис.3. Результаты моделирования динамики массы загрузки рабочей среды в составной и-образной виброкамере с неподвижными боковыми стенками и верхней крышкой, вибрирующей синфазно с дном (высота загрузки 260 мм)
На рис.3 показаны: исходная загрузка среды (а), кадр с изображением ее конфигурации при установившемся движении (б), установившиеся поля скоростей (в) и следы тензора контактных напряжений (г). Все приведенные картины сняты с экрана монитора.
Результаты показывают, что такая компоновка, в сравнении с другими моделями, обеспечивает наивысшие показатели интенсивности процесса. Средняя скорость среды по внешней линии тока составляет 20 см/с, средние напряжения величиной 5 кПа имеют место в 48,2% объема, 4 кПа
- в 23,7%, 3 кПа - в 14,9%, 2 кПа - в 9,6%. Полученные показатели позволили прогнозировать увеличение производительности абразивной обработки закрепленных и крупных деталей до 2,5 раз.
На основе результатов предпроектного моделирования было предложено конструктивное решение, изображенное на рис.4. Основные особенности этой конструкции состоят в следующем.
Рабочая камера вибростанка представляет собой цилиндр, закрытый с торцов стенками. Цилиндрическая поверхность камеры срезана симметрично и параллельно ее оси. В верхней части выполнен проем для за-
^ и V/ и и 0 V/
грузки рабочей среды и деталей, закрывающийся крышкой. С наружной стороны рабочая камера снабжена ребрами и «лапами» (опорными пластинами) для установки ее на пружины. Боковые проемы камеры закрываются неподвижными щитами, жестко крепящимися к раме вибростанка. Пружинная подвеска камеры опирается на раму. Снизу к рабочей камере монтируется вибратор, обеспечивающий необходимую траекторию ее движения. Внутренняя поверхность рабочей камеры облицована резиной, выступающей за края ее боковых срезов до неподвижных щитов. Зазоры между стенками рабочей камеры и щитами обеспечивают ей свободу движения по необходимой траектории при сохранении герметичности внутреннего объема.
Рис.4. Конструкция вибростанка с синфазным движением дна и верхней крышки рабочей камеры при неподвижных ее боковых стенках
Рабочая камера через проем в верхней ее части заполняется до верху обрабатываемыми деталями и рабочей средой. С целью создания необходимого уплотнения объема загрузки рабочая среда загружается в большем количестве, и после уплотнения зажимами крышки включается вибратор для создания необходимых режимов работы вибростанка. По окончании выполнения операции выключается вибратор, открываются зажимы крышки и производится разгрузка деталей и рабочей среды. Возможна механизация разгрузки рабочей камеры за счет наклона ее вместе с рамой, шарнирно закрепленной на неподвижном основании.
Сравнение традиционной конструкции виброкамеры с предложенной показало, что незначительное удорожание, связанное с изготовлением составной камеры, компенсируется за счет увеличения производительности при одинаковом объеме и мощности привода. Рассмотрим ее показатели (таблица).
Сравнение показателей производительности стандартной и-образной и составной камеры с синфазно движущимся дном и крышкой одинакового объема 20 дм3 при обработке партии N = 50 деталей массой 300 г.
Тип камеры Тм (обработка), ч Тв (загрузка + выгрузка), ч Тш х N1, ч
Стандартная и-образная 1,2 0,15 1,35
Составная 0,45 0,25 0,7
Итого: экономия составляет 0,65 мин на 1 деталь
Таким образом, использование разработанной конструкции виброкамеры обеспечивает почти двукратное снижение нормы штучного времени. Расчеты показывают, что при вкладе в себестоимость отделочной обработки деталей примерно 24 % на модернизацию виброкамеры (расход сред и технологической жидкости без изменения) окупаемость дополнительных затрат происходит после обработки 480 деталей, или полных 10 загрузок. Выводы. 1. Представлен метод компьютерного моделирования динамики технологической гранулированной среды на стадии проектирования станка для вибрационной отделочно-упрочняющей обработки.
2. Предложенный метод и программное средство, использующее в качестве исходных данных объем технологической загрузки, физико-технологические свойства и размеры технологических гранул, контактные характеристики облицовки поверхности рабочей камеры, позволяют, варьируя конструктивные параметры и схему вибровозбуждения стенок камеры, моделировать развитие во времени динамического состояния массы загрузки и прогнозировать технологический эффект обработки на базе построенного модуля постпроцессинга.
3. Разработка позволила ускорить процесс проектирования, сократить период отладки технологических режимов за счет создания рациональной конструкции виброкамеры и назначенного режима вибрации.
4. Нестандартная конструкция вибрационной камеры (объем загрузки 20 л.), изготовленной с использованием предложенного метода, обеспечивает повышение производительности на 45% при полной окупаемости после обработки 10 полных загрузок.
Библиографический список.
1. Бабичев А.П. Основы вибрационной технологии. / А.П.Бабичев, И.А.Бабичев. - Ростов н/Д: Издательский центр ДГТУ, 2008. - 694 с.
2. Шевцов С.Н. Компьютерное моделирование динамики гранулированных сред в вибрационных технологических машинах. / С.Н.Шевцов. -Ростов н/Д: Изд-во СКНЦ ВШ, 2001. - 193 с.
3. Luding S. Granular material under vibration: Simulation of rotating spheres Phys.Rev.E, V.52, No.4, 1995, pp.4442-4457.
4. Beeler J.R. Jr. The role of computer experiments in materials research. -Adv.Mater.Res., 1970, v.4, pp.295-476.
Материал поступил в редакцию 23.05.09.
E.M. TAMARKINA
DESIGNING OF TECHNOLOGY AND THE EQUIPMENT FOR VIBRATING PROCESSING OF DETAILS ON THE BASIS OF COMPUTER MODELLING
Methods of computer modelling synthesise a number of new forms and configurations of compound working chambers of vibrating machine tools with the additional constructive elements enhancing the process perfomance. The developed scheme and a chamber design allow to increase to 3 times intensity of processing at due to additional pressure in the technological environment and synchronous vibroexcitation the bottom and the top cover.
ТАМАРКИНА Евгения Михайловна, аспирант кафедры «Авиастроение», окончила ДГТУ (2006) по специальности «Информационные системы». Занимается исследованием методов, обеспечивающих управляемое повышение интенсивности вибрационной обработки.
Опубликовала 5 статей.
tematt82@maii. ru
