Вибрация в технике

Размещено на http://www.allbest.ru/

Содержание

Введение

1. Причины возникновения вибраций

2. Исследование зависимости стойкости инструмента

Список литературы

Введение

Обеспечение заданной точности детали основное требование к технологическому процессу. Под точностью обработки понимают степень соответствия изготовленной детали требованиям чертежа и технических условий. Под точностью формы поверхности понимают степень соответствия ее размеров в осевом и поперечном сечениях геометрической форме.

В процессе обработки детали сила резания не остается постоянной в результате действия следующих факторов: изменяется сечение срезаемой стружки, изменяются механические свойства материала детали; изнашивается и затупляется режущий инструмент; образуется нарост на передней поверхности резца и др. Изменение силы резания обусловливает соответствующее изменение деформаций технологической системы, нагрузки на механизмы станка и условий работы электропривода, что приводит к колебаниям заготовки и инструмента. Характер изменения этих колебаний во времени называют вибрациями. Вибрации оказывают значительное влияние на условия обработки детали и зависят от жесткости технологической системы, т. е. от способности системы препятствовать перемещению ее элементов под действием изменяющихся нагрузок. Жесткость технологической системы является одним из основных критериев работоспособности и точности станка под нагрузкой.

Зная причины возникновения вибраций, можно найти способы их уменьшения. Рациональными являются такие способы, с помощью которых можно значительно уменьшить вибрации станка, не снижая его производительности.

Вибрация (от латинского vibratio - колебание, дрожание) - механические колебания. В технике (машинах, механизмах, сооружениях, конструкциях и т. п.) бывает вредная и полезная вибрация.

Полезная вибрация возбуждается преднамеренно вибраторами, используется в строительных, дорожных и др. машинах и для выполнения различных технологических операций. Например: вибрационное транспортирование, вибрационное резание.

Вредная вибрация - вибрация, возникающая при работе двигателей, турбин, других машин, при обработке металла резанием. Приведем некоторые примеры. Вибрации металлорежущих станков и другого технологического оборудования, вызванные действием различных источников, приводят к снижению точности и чистоты обработки, а также и к другим нарушениям технологических процессов. Основное влияние на процесс резания оказывают относительные колебания инструмента и изделия.

1. Причины возникновения вибраций

Вибрации, возникающие при обработке деталей на токарных станках, приводят к нарушению правильности работы станка, к преждевременному износу инструмента, к повышению шероховатости обработанной поверхности и образованию на ней волн с большим шагом (волнистость).

Вибрации возникают вследствие одной или нескольких причин; главнейшие из них перечислены ниже.

1. Колебания, передаваемые от других вибрирующих станков и машин через грунт, металлические конструкции междуэтажных перекрытий и т. д. Методы борьбы с такими вибрациями: усиление фундаментов и перекрытий, установка упругих прокладок и т. п.

2. Колебания, вызываемые несбалансированностью (неуравновешенностью) частей станка, патрона или обрабатываемой детали. Средство борьбы с вибрациями такого типа -- балансировка вращающихся частей как самого станка и патрона, так и балансировка закрепляемой на станке заготовки, если она создает неуравновешенность всей вращающейся системы, с помощью дополнительных грузов.

3. Колебания, вызываемые дефектами передач станков. Неправильно нарезанные или плохо собранные зубчатые передачи в станке вызывают возникновение периодических сил, передающихся на подшипники и направляющие станка, а поэтому могут при известных условиях быть причиной появления вибраций. Таким же образом действуют некачественные сшивки ремней. Средства борьбы с вибрациями этого рода заключаются в устранении дефектов, подобных перечисленным.

4. Колебания, вызываемые прерывистым характером процесса резания. Во многих случаях метод обработки сам по себе обусловливает колебания сил резания, например, когда обрабатываемая поверхность имеет перерывы. Следствием работы по такой поверхности чаще всего являются отдельные толчки, но при регулярном чередовании обрабатываемых участков и перерывов возможно возникновение вибраций. Влияние прерывистости обрабатываемой поверхности на возникновение вибраций должно устраняться в каждом конкретном случае путем искусственного увеличения жесткости обрабатываемой детали.

5. Собственные колебания при обтачивании, растачивании и т. д. При обтачивании уравновешенной детали, при работе на вполне исправном станке могут возникать сильнейшие вибрации, причем даже при самом внимательном рассмотрении явления не удается обнаружить присутствия каких-либо внешних причин, в частности перечисленных выше. Такие вибрации называются собственными колебаниями (вибрациями) процесса резания. Частота (число колебаний в секунду) в основном зависит от жесткости системы СПИД. Чем жестче система, тем выше частота колебаний, т. е. меньше вибрации. вибрация колебание токарный станок

Интенсивность (сила) вибраций, измеряемая высотой волн (неровностей) на обработанной поверхности, зависит от ряда причин.

1. Повышение скорости резания сначала вызывает интенсивность вибраций, достигающих наибольшего значения при скорости, обычно находящейся в границах 80--150 м/мин, а затем при дальнейшем увеличении скорости вибрации убывают. Следовательно, условия скоростного резания более благоприятны с точки зрения предупреждения возникновения вибраций.

2. Увеличение ширины среза (глубины резания при обычном продольном обтачивании) вызывает усиление (интенсивность) вибраций.

3. Увеличение толщины среза (подачи) оказывает противоположное действие. При увеличении толщины стружки интенсивность колебаний несколько уменьшается. Однако влияние изменения толщины среза значительно слабее влияния изменения его ширины.

4. Резцы с малыми углами в плане, позволяющие работать с большими подачами при повышенных скоростях резания, часто не могут применяться только вследствие возникающих при их использовании вибраций.

5. С возрастанием переднего угла (т. е. при уменьшении угла резания) интенсивность вибраций уменьшается. Резцы с отрицательными передними углами более склонны вызывать вибрации, чем резцы с положительными углами. Средства борьбы с вибрациями.

Собственные колебания (вибрации) в процессе резания на токарном станке можно предупредить следующими способами.

1. Повышением жесткости составляющих системы СПИД: например, уменьшением вылета пиноли задней бабки, уменьшением вылета резца, затягиванием клиньев поперечного суппорта, при работе на налаженном станке без поперечной подачи, зажимом каретки, при работе только с поперечной подачей, наложением груза на поперечный суппорт и др. Во многих случаях, лишь уменьшая вылет пиноли задней бабки и регулируя степень нажатия заднего центра, удается устранить вибрации.

2. Выбором рациональных режимов резания, резанием на высоких скоростях (или, что менее желательно, на низких) или увеличением подачи.

3. Рациональным выбором резца и правильной его заточкой: применением больших углов в плане, увеличением переднего угла или введением фаски по передней грани при отрицательных передних углах, а также специальной заточкой резца (введением фасок, галтелей и пр)

4. Тщательным балансированием приспособления с зажатой в нем деталью.

Нередко, особенно в условиях работы на скоростях 120-- 150 м/мин, никакие из указанных выше средств не приводят к уничтожению вибраций. В таких случаях следует прибегать к применению специальных приборов -- виброгасителей.

Знакопеременные напряжения, вызванные вибрационными воздействиями, приводят к накоплению повреждений в материале, что вызывает появление усталостных трещин и разрушение.

Кроме усталостных разрушений в механических системах наблюдаются и другие явления, вызываемые вибрационными воздействиями.

Например, эти воздействия приводят к постепенному ослаблению («разбалтыванию») неподвижных соединений. Вибрационные воздействия вызывают малые относительные смещения сопряженных поверхностей в соединениях деталей машин, при этом происходит изменение структуры поверхностных слоев сопрягаемых деталей, их износ и, как результат, уменьшение силы трения в соединении, что вызывает изменение диссипативных свойств объекта, смещает его собственные частоты и т.п.

Если в объекте имеются подвижные соединения с зазорами (например, кинетические пары в механизмах), вибрационные воздействия могут вызвать соударения сопрягаемых поверхностей, приводящих к их разрушению.

В большинстве случаев разрушение объекта при вибрационных воздействиях связано с возникновением резонансных явлений. Поэтому при полигармонических воздействиях наибольшую опасность представляют те гармоники, которые могут вызвать резонанс объекта, в связи с этим лабораторные испытания объектов на вибропрочность часто приводят при гармонических воздействиях в резонансных режимах. В сложных объектах, обладающих широким спектром собственных частот, возможно одновременное возбуждение нескольких резонансных режимов. При действии полигармонического возмущения. Поэтому для таких объектов замена полигармонического воздействия гармонически недопустима.

Вибрационные и ударные воздействия, не вызывая разрушения объектов, могут приводить к нарушению их нормального функционирования. Это свойство механических воздействий проявляется в разнообразных формах.

Нарушение функционирования объекта, не связанное с разрушением или с другими необратимыми изменениями, называются отказом.

Таким образом, механические воздействия могут вызвать как разрушения, так и отказы машин, приборов и аппаратов. Способность объекта не разрушаться при механических воздействиях называется - вибропрочностью, а способность нормально функционировать - виброустойчивостью. Цель виброзащиты технических объектов - повышение их вибропрочности и виброустойчивости.

2. Исследование зависимости стойкости инструмента

Исследование зависимости стойкости инструмента от амплитуды автоколебаний при точении производили на токарном станке модели 16Б16Т1 жесткими проходными резцами, оснащенными твердыми сплавами ВК6 и ВК60М. Обрабатывали серый чугун СЧ 20, сталь 45 и сталь 20Х.

Изменения амплитуды автоколебаний достигали изменением жесткости и массы оправки, которую перед каждой новой серией опытов протачивали по всей длине (за исключением места посадки заготовки). Уменьшение жесткости оправки приблизительно в 10 раз приводило к увеличению амплитуд автоколебаний в 20-25 раз, при этом частота автоколебаний снижалась незначительно, приблизительно от 220 до 180 Гц.

За критерий притупления принимали износ по задней поверхности

Все представленные на рисунке 1 кривые имеют экстремальный характер. Наибольшая стойкость резцов наблюдается при амплитуде колебаний А20 мкм. Как увеличение, так и уменьшение амплитуды колебаний приводят к резкому снижению стойкости инструмента.

Уменьшением амплитуды до 4-5 мкм можно достичь снижения стойкости на 25-30%.

1-проходной резец ВК6;

Рисунок 1 - Зависимость стойкости инструмента от амплитуды автоколебаний при точении

=

обрабатываемый материал СЧ 20;

2 - резец из материала ВК6; ; v=0,5 ; s=0,2; t=3; обрабатываемый материал сталь 45;

3 - условия те же, что в п.2, но обрабатываемый материал сталь 20Х;

4 - условия те же, что в п.2, но резец ВК60М и обрабатываемый материал сталь 20Х.

Зависимость стойкости инструмента от амплитуды автоколебаний хорошо аппроксимируется уравнениями вида

,

где T - стойкость инструмента;

A - амплитуда автоколебаний;

Q, m, n- постоянные, зависящие от рода обрабатываемого и инструментального материалов и условий резания.

Для каждого конкретного технологического процесса существует определенный (оптимальный) уровень автоколебаний, при котором стойкость инструмента будет максимальной. Такой характер зависимости T=f(A) может иметь следующее физическое объяснение.

Автоколебания, возникающие в процессе резания так же, как и специально вводимые в зону резания вынужденные колебания, приводят к облегчению пластической деформации, уменьшению коэффициента трения по передней и задней поверхностям инструмента, улучшению отвода стружки, к заметному снижению силы резания, к уменьшению адгезионных явлений и, как результат этого, - к уменьшению интенсивности изнашивания инструмента и повышению его стойкости.

С другой стороны, циклическое нагружение инструмента при увеличении интенсивности автоколебаний, начиная с определенного предела, вызывает усталостное разрушение участков материала инструмента, находящегося в контакте с изделием и сходящей стружкой. Поэтому по достижении некоторого уровня автоколебаний стойкость инструмента начинает резко снижаться. Следует также учитывать, что при увеличении амплитуд автоколебаний существенно увеличивается длина пути, пройденная инструментом по изделию, а следовательно и износ инструмента по задним и передним поверхностям. (Это особенно заметно при интенсивных крутильных колебаниях метчиков, сверл, зенкеров, разверток).

Результатом воздействия этих противоположных факторов и является наличие экстремальной зависимости. В зоне малых амплитуд превалирует положительное воздействие автоколебаний на облегчение процесса пластической деформации, а в зоне больших амплитуд - усталостное разрушение контактных слоев материала инструмента.

Такой характер зависимости стойкости инструмента от амплитуды автоколебаний, очевидно, справедлив для всех обрабатываемых инструментальных материалов, так как материал любого лезвийного инструмента, как правило, прочнее материала заготовки. Положение точки экстремума, соответствующее оптимуму стойкости, зависит от условий резания и характеристик обрабатываемого и инструментального материалов.

Наряду со стойкостью инструмента и производительностью обработки автоколебания в сильной степени влияют на качество обработанной поверхности. С увеличением амплитуд автоколебаний пропорционально ухудшаются параметры шероховатости, растет высота волнистости Wобработанной поверхности. Не только в операциях точения и растачивания, но и во всех других типовых процессах механической обработки (различных видах фрезерования, сверления, развертывания, нарезания резьбы и др.) волнистость обработанной поверхности полностью определяется величиной амплитуд и биениями вибраций. Также обстоит дело и с операциями шлифования.

В рекомендациях по стандартизации СЭВ РС 3951-73 «Волнистость поверхности. Термины, определения и параметры» принято определение «волнистость» - периодические неровности геометрической структуры поверхности, вызываемые непредусмотренными колебаниями или подобными колебаниями относительными движениями в системе станок - инструмент - деталь.

Для выяснения зависимости волнистости и шероховатости обработанной поверхности от интенсивности автоколебаний были проведены специальные исследования применительно к процессам точения, растачивания, фрезерования дисковыми, пазовыми, цилиндрическими, концевыми и торцевыми фрезами, нарезания резьбы метчиками, резцовыми головками и резьбовыми фрезами.

Измерение параметров шероховатости и волнистости обработанной поверхности и запись профилограмм производили с помощью профилографов-профилометров моделей 201 и 202, кругомера модели 255 завода «Калибр», а на криволинейных участках резьбовой поверхности - с помощью индуктивного профилометра-профилографа Perth-O-Meter фирмы «Пертен» (Perten, ФРГ). Шероховатость и волнистость поверхности всегда измеряли в направлении их максимальных значений.

В случае точения серого чугуна СЧ 20, стали 45 и стали 20 Х опыты проводили резцами, оснащенными твердым сплавом ВК6, при следующих постоянных условиях: v = 0,5 м/с; t = 0,15 мм/об; г = 10є; ? = 12є. При этом амплитуда колебаний изменялась за счет изменения жесткости оправки, на которую установлены образцы в виде колец из обрабатываемого материала. Частота автоколебаний в опытах изменялась в небольших пределах f = 140190 Uw.

На рисунке 2,а показаны зависимости высоты волнистости W от амплитуд автоколебаний для процесса точения. Эти зависимости представляют собою почти прямые линии, проходящие через начало координат, что подтверждает прямую пропорциональность W от А.

Шероховатость обработанной поверхности, особенно ее параметры R и R также существенно зависит от амплитуды автоколебаний.

1 - сталь 45; 2 - чугун СЧ 20; 3 - сталь 20Х (1 -3-при f= 140190 Гц); 4 - сталь 20 Х, но частота автоколебаний f= 500600 Гц.

Рисунок 2 - Зависимости волнистости (а) и шероховатости (б) обработанной поверхности от величины амплитуд автоколебаний при точении

На рисунке 2,б показана зависимость R от А для тех же условий резания.

Эта зависимость прослеживается менее четко, чем предыдущая, так как шероховатость поверхности также зависит от режима резания, геометрии

и износа инструмента, однако, общая тенденция ухудшения параметров шероховатости с повышением амплитуды колебаний всегда и во всех опытах сохранялась.

По результатам обширных экспериментальных исследований параметров волнистости и шероховатости поверхности получены эмпирические зависимости высоты волнистости от амплитуды автоколебаний и среднеарифметического отклонения профиля от элементов режимов резания, геометрии инструмента и амплитуды колебаний при точении:

;

.

В целях повышения надежности результатов проведена статистическая обработка всех опытных данных и в таблице 3 даны значения полученных коэффициентов.

Таблица 3 - Значения коэффициентов и показателей степеней

Примечание. r=0,5t.

Обработка резанием существенно изменяет эксплуатационные свойства деталей за счет формирования определенного качества поверхностного слоя: волнистости, шероховатости, наклепа и остаточных напряжений. Особенно это проявляется в процессе резания труднообрабатываемых материалов при наличии вибрации технологической системы.

Уменьшение высоты неровности поверхности и улучшение их формы за счет уменьшения углов наклона боковых сторон выступов и впадин

технологическими средствами приводит к уменьшению в два-три раза отказов, происходящих вследствие износа контактирующих пар. Исследование износа деталей авиационных двигателей показало почти линейную зависимость износа от высоты волнистости.

На рост трещин оказывает существенное влияние концентрация напряжений у рисок, т.е. во впадинах неровностей, а концентрация напряжений, в свою очередь, зависит от глубины рисок и от радиуса закругления их впадин.

Волнистость поверхности оказывает влияние и на контактную усталость. Образование волнистости всегда сопровождается неравномерностью распределения шероховатости и микротвердости на вершинах и во впадинах волн, а это приводит к снижению усталостной прочности при циклических нагрузках.

Для деталей, работающих в агрессивной среде, щелевая коррозия становится менее интенсивной по мере уменьшения высоты неровностей и увеличения шага неровностей , т.е. уменьшения среднеарифметического наклона профиля

.

Важным показателем качества обработанной поверхности является наклеп, оказывающий значительное влияние на эксплуатационные характеристики деталей. Равномерный наклеп поверхностного слоя оказывает благоприятное влияние на предел усталостной прочности деталей, работающих при нормальных температурах, но у деталей, работающих при температурах выше 873 К, приводят к снижению предела длительной прочности и тем сильнее, чем больше степень наклепа. Наклеп приводит к изменению коррозийной стойкости поверхности.

Исследование глубины и степени наклепа поверхностного слоя в зависимости от амплитуды вынужденных ультразвуковых колебаний и автоколебаний проведено при свободном точении, без охлаждения, лопаточными резцами, оснащенными твердыми сплавами ВК8 и ВК60М. Амплитуду автоколебаний варьировали за счет изменения жесткости консольно закрепленной оправки, на которую устанавливали образцы в виде дисков.

Определение глубины наклепа проводили по методу косых срезов. Угол среза принят . Микротвердость измеряли с помощью прибора ПМТ-3 при увеличении 500с нагрузкой 1Н. Степень наклепа определяли по формуле

N=,

где НМ, НМ - микротвердости обработанного слоя и исходного материала соответственно.

Опыты проводили при обработке СЧ 20, стали 45 и стали 20Х, при следующих постоянных условиях: s=0,08

Результаты опытов показаны на рисунке 4.

Кривые 1-5 указывают на зависимость глубины наклепа h (толщины наклепанного слоя) от удвоенной амплитуды колебаний 2А (размах колебаний). Кривые 6 и 7 выражают зависимость степени наклепа N от величины 2А. Кривые 1-4,6 относятся к обработке стали 20Х, а кривые 5 и 7 - к обработке стали 45.

Рисунок 4 - Зависимость толщины наклепанного слоя и степени наклепа от размаха колебаний.

На рисунке 4, а - при точении сталей 20Х (кривые 1-4,б) и СЧ 20 (кривые 5 и 7); 5 и 7 выражают зависимость степени наклепа N (%) от размаха колебаний 2А; 1 - f = 35 кГц; 2 - f = 15кГц; 5 и 6 - f = 240 300 Гц; б - при свободном точении титанового сплава ВТ9: 1 - f= 35 кГц; 2 - f = 20 кГц; 3 - f = 15 кГц; 4 и 5 - f = 240 300 кГц; кривая 4 выражает зависимость степени наклепа от размаха колебаний.

На рисунке 4,б представлена зависимость толщины наклепанного слоя в степени наклепа от величины 2А при точении стали 20Х. Кривые 1-4 выражают зависимость h =f (2A), а кривая 5 - зависимость степени наклепа от величины 2А.

Циклическое взаимодействие обработанной поверхности с задней поверхностью инструмента возрастает прямо пропорционально квадрату амплитуды и частоты колебаний. Наложение на режущий инструмент вынужденных ультразвуковых колебаний с частотой от f = 15 до f = 35 кГц и амплитудой до А = 10 мкм приводит к увеличению наклепа до 40% и глубины наклепа до 100 мкм и более.

Автоколебание с частотой 240 -300 Гц и амплитудой до А = 70 мкм приводят к увеличению степени наклепа приблизительно на 30%; глубина наклепа при этом увеличивается до 80-100 мкм.

Таким образом, можно сказать, что производительность по машинному времени можно увеличить в два раза за счет повышения скорости резания. Если технологические условия позволяют вместо повышения скорости резания увеличивать подачу или даже глубину резания, то рост производительности за счет оптимизации интенсивности автоколебаний может быть достигнут в пять и даже более раз.

Следует отметить, что циклический характер взаимодействия задней поверхности инструмента с поверхностью резания при вибрациях, существенно повышает упрочнение поверхностного слоя, одновременно приводит к росту остаточных напряжений сжатия, которые увеличиваются с повышением амплитуды и частоты. Образование в поверхностном слое сжимающих остаточных напряжений значительно увеличивающих ресурс деталей, работающих при знакопеременных нагрузках. Путем управления интенсивностью автоколебаний или рационального использования вынужденных колебаний можно изменить в нужном направлении эксплуатационные характеристики детали.

Список литературы

1. Вибрация в технике Т.6 Фролов, 2007.- 206 с.

2. Ползуновский вестник № 1-2 2009 Образование волнистости при плоском прерывистом шлифовании периферией круга. А.А. Дианов, Е.Ю. Татаркин, В.А. Терентьев, 2011.- 18 с.

3. Оптимизация вибрационных процессов. Вип. 10: зб. наук. пр. -- Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2007. -- 107 с.

4. Прилуцкий В.А. Технологические методы снижения волнистости поверхностей /В.А. Прилуцкий. -- М.: Машиностроение, 1978. -- 105 с.

5. Новоселов, Ю. К. Обеспечение точности деталей при шлифовании Ю.К. Новоселов, Е.Ю. Татаркин. - Саратов: Изд-во Сарат.ун-та, 1988. - 158 с.

Размещено на Allbest.ru