Физическое и математическое моделирование динамики ультразвукового прошивочного станка тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Елсайед Ахмед Абоуел Фетоух Елмоуши

• Елсайед Ахмед Абоуел Фетоух Елмоуши
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Елсайед Ахмед Абоуел Фетоух Елмоуши

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ

ИССЛЕДОВАНИЯ.

1.1 Особенности процесса ультразвуковой обработки материалов.

1.1.1 Физические явления в процессе ультразвуковой размерной обработке.

1.1.2 Эффективность процесса ультразвуковой размерной обработки.

1.1.3 Точность полостей и отверстий при ультразвуковой размерной обработке.

1.2 Станки для ультразвуковой обработки материалов.

1.2.1 Типовые конструкции станков для УЗ- обработки.

1.2.2 Ультразвуковые вибраторы и механизмы станков для УЗ-обработки.

1.3 Обсуждение литературных данных и постановка задач исследования.

Глава 2. ИССЛЕДОВАНИЕ СТАТИЧЕСКОЙ ЖЕСТКОСТИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО КОПИГОВАЛЬНО-ПРОШИВОЧНОГО СТАНКА.v

2.1 Методика экспериментальных исследований статической жесткости.

2.2 Результаты статических исследований.

Глава 3.

Глава 3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ АМПЛИТУДНО-ЧАСТОТНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК УЛЬТРАЗВУКОВОГО СТАНКА

3.1. Методика проведенная экспериментального исследования динамических характеристик УЗС.

3.2. Результаты динамических исследований.

Глава 4. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ УЛЬТРАЗВУКОВОГО СТАНКА И ЕЕ ИССЛЕДОВАНИЕ В КОМПЬЮТЕРНОМ

ЭКСПЕРИМЕНТЕ.

4.1. Разработка математической модели.

4.2. Анализ математической модели в компьютерном эксперименте.

4.3. Компьютерные эксперименты на математической модели с использованием планирования эксперимента.

Глава 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ КОЛЕБАНИЙ

УПРУГОЙ СИСТЕМЫ СТАНКА В ПРОЦЕССЕ УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ОБРАБОТКИ.

5.1. Калибровка измерительной системы.

5.2. Получение спектральных характеристик вибросигналов, снимаемых с УЗС во время его работы.

5.3. Колебания элементов упругой системы станка при ультразвуковой обработке.

ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Физическое и математическое моделирование динамики ультразвукового прошивочного станка»

В медицинской, автомобильной, космической, оптической и других отраслях промышленности, при изготовлении высокотехнологичных изделий, все больше расширяется необходимость обрабатывать детали, выполненные из карбидов титана и вольфрама, порошковых, композиционных, а также сверхтвердых материалов. При этом особые технологические трудности возникают при реализации выдвигаемых разработчиками требований к точности и шероховатости поверхностей микроразмерных отверстий, поверхностям разрезов, различных фасонных поверхностей.

Одним из методов, способных реализовать эти требования, является размерная ультразвуковая обработка. Механический процесс съема материала реализуется путем микроразрушений с помощью абразивных частиц, взвешенных в виде тонкой суспензии и внедряемых в поверхность обрабатываемого изделия с помощью фасонного индентора, придающего частицам колебания с ультразвуковой частотой порядка 20 кГц. Процесс микроразрушений происходит без повышения температуры, отсутствуют химические реакции в зоне обработки, силовые воздействия на инструмент и деталь незначительны. Все это способствует получению высокой точности, малой шероховатости поверхности, и часто обработка сложного изделия может быть выполнена за один проход.

Несмотря на сравнительную новизну, метод ультразвуковой обработки имеет весьма обширную библиографию. Отечественные и зарубежные публикации насчитывают более 600 наименований. В них рассмотрены результаты экспериментальных и теоретических исследований в области физики процесса взаимодействия индентора, микрочастиц и обрабатываемой поверхности, технологические аспекты обеспечения эффективности съема материала. Значительная часть публикаций посвящена конструкциям ультразвуковых станков и их отдельных узлов, в первую очередь, вибраторам.

Если в начальный период разработки метода превалировали экспериментальные исследования и устанавливались эмпирические соотношения между технологическими параметрами, то затем были выполнены интересные теоретические исследования, разрабатывались аналитические модели, направленные на изучение связей между силами прижима инструмента, скоростью прокачки суспензии, динамическими явлениями при соударениях и производительностью процесса. Следует отметить работы В.И. Дикушина, В.Ф. Казанцева, А.И. Маркова, Б.Х. Мечетнера, Л. Д. Розенберга, а также публикации таких зарубежных исследователей, как D.Blank, Е.А. Neppiras, G. Nishimura и др.

Большое число патентов в области ультразвуковой обработки, как отечественных, так и зарубежных, свидетельствует о том, что постоянно совершенствуются конструкции и технологические процессы, изобретаются все новые излучатели ультразвуковых колебаний, механизмы подач, способы доставки в зону обработки абразивного материала и отвода из нее продуктов разрушения.

Вместе с тем, ряд вопросов ультразвуковой обработки еще недостаточно изучен. В частности, требуют экспериментального исследования и теоретического анализа относительные колебания инструмента и обрабатываемого изделия в низкочастотной области. Ультразвуковые колебания определяют производительность станка, и им посвящено большое количество работ. Однако точность формы и размеров обработанной поверхности, ее волнистость и шероховатость в большой степени зависят от колебаний упругой системы.

Процесс ударного внедрения абразивных частиц, взвешенных в суспензии между инструментом и обрабатываемой заготовкой, представляет собой чередование импульсов, кратковременно замыкающих упругую систему «станина-механизм подач и-инстру мент-заготов ка-стол ». Этот стационарный случайный процесс, включающий резкий подъем усилия и спад его в результате разрушения зерен абразива и элементов обрабатываемой поверхности, вызывает относительные колебания элементов упругой системы станка на собственных частотах, в том числе и в направлениях, перпендикулярных к направлению ультразвуковых колебаний. Разработчики ультразвуковых станков, по-видимому, подобным колебаниям не уделяли достаточного внимания.

Современные требования к качеству изделий в высокотехнологичных областях современной техники определяют актуальность изучения колебаний упругой системы ультразвукового станка в низкочастотной области. Экспериментальные исследования и разработка на их основе математической модели колебаний упругой системы станка позволят выявить недостатки конструкций ультразвуковых станков и повысить их динамическое качество.

Заключение диссертации по теме «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки», Елсайед Ахмед Абоуел Фетоух Елмоуши

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Разработана математическая модель ультразвукового прошивочного станка, позволяющая в компьютерных экспериментах выявлять параметры, способствующие увеличению точности обработки отверстий за счет улучшения динамического качества конструкции.

2. Разработан стенд для статических исследований, позволяющий с высокой точностью исследовать относительные смещения узлов станков, причем не только в направлении сжатия контактных поверхностей стыков, но и в направлении раскрытия стыков.

3. В статических экспериментах выявлены направления и величины относительных перемещений узлов ультразвукового станка при приложении нагрузки к рабочему концу рабочего инструмента. Основной причиной смещения рабочего конца рабочего инструмента в горизонтальной плоскости является большая угловая податливость консоли и инструментальной каретки. Получены данные для создания динамической модели ультразвукового копировально-прошивочного станка.

4. Выявлено, что увеличение угловой жесткости и демпфирования консоли резко уменьшает колебания рабочего инструмента в плоскости, перпендикулярной направлению ультразвуковых колебаний. Таким образом, намечено направление совершенствования конструкции ультразвукового станка с целью повышения точности прошиваемых отверстий.

5. Описана математическая связь между параметрами жесткости и демпфирования и амплитудой колебаний рабочего инструмента, отраженная в интерполяционной формуле и визуализированная в виде поверхности отклика с помощью методики планирования эксперимента. Формула позволяет производить оценку конструктивных решений с точки зрения достижения минимизации низкочастотных колебаний рабочего инструмента.

6. Разработан стенд для динамических исследований, реализующий возможность измерять и исследовать колебания элементов упругой системы ультразвукового станка, оценивать визуально и фиксировать на осциллограммах колебания всех узлов в трех взаимно перпендикулярных плоскостях.

7. Установлено, что в упругой системе ультразвукового станка колебания происходят в диапазоне от 15 до 140 Гц , причем наибольшие колебания наблюдаются в низкочастотной области этого диапазона - 15.25 Гц, что объясняется изгибными колебаниями консоли, которые приводят к колебаниям инструментальной головки и рабочего конца рабочего инструмента относительно стола в вертикальном и горизонтальном направлениях.

8. На натурном объекте экспериментально выявлено влияние постоянной силы прижима рабочего инструмента к обрабатываемой заготовке на амплитуду колебаний и на точность диаметральных размеров прошиваемых отверстий, причем показана возможность оптимизации силы прижима для достижения требуемой точности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Елсайед Ахмед Абоуел Фетоух Елмоуши, 2005 год

1. Азаров В.А., Кириллов А.И., Позняк Г.Г. Разработка и исследование световолоконных преобразователей малых перемещений // Вопросы повышения качества металлорежущего оборудования и инструмента: Сб. науч. тр. -М.:РУДН, 1984-С. 104-109.

2. Баранова О.В. Методы математического моделирования. М., "Наука", 1997, стр. 65.

3. Благов В.И., Екатеринчук И.Н., Горбатова И.Ню, Ефремов С.С. Устройство для высокоамплитудной ультразвуковой обработки изделий в жидкой среде. А.С. СССР, № 1163897, 1985.

4. Борун Г.М., Поляков З.И. Величина разрежении в зоне резания ультразвукового инструмента. — Акуст. ж., 9, вып. 2, 231, 1963.

5. Вероман В.Б. Ультразвуковой метод изготовления твердосплавных штампов. — Передовой научно-техн. и произв. опыт, 2, № 29/2, 1960.

6. Вестник Машиностроения. 1996, № 10.

7. Витман Ф.Ф., Златин Н.А., Иоффе Б.С. Сопротивление деформированию металлов при скоростях 10"6—10"2 м/сек. — ЖТФ, 19, вып. 3, 300, 1949.

8. Галков B.C., Зубченкова Н.П. Устройство для ультразвуковой обработки. А.С. СССР, № 230630, 1968.

9. Дикушин В.И., Барке Б.Н. Ультразвуковая эрозия и ее зависимость от колебательных характеристик инструмента. — Станки и инструмент, № 5, 10, 1958.

10. Дикушин В.И., Барке В.Н. Ультразвуковое эрозия и ее зависимость от колебательных характеристик инструмента. Станки и инструмент, 1958 г. , № 5., С. 19-22.

11. Дьяченко П.Е., Аверьянова В.Г. Исследование диспергирования твердых тел при воздействии ультразвука. В сб. « Трение и износ в машинах », вып. 15, стр. 15.

12. Дьяченко П.Е., Мизрохи Ю.Н., Аверьянова В.Г. Некоторые вопросы ультразвуковой обработки. — В сб. «Применение ультразвука в промышленности», 1959, стр. 149.

13. Ландау Л.Д., Лившиц Е.М. Механика сплошных сред. ГИТТЛ, 1950.

14. Казанцев В.Ф. Метод измерения ультразвуковых напряжении в прозрачных телах. — Акуст. ж., 9, вып. 2, 236, 1963.

15. Казанцев В.Ф. Зависимость производительности от режима резания. Станки и инструмент, № 3, 12, 1963.

16. Казанцев В.Ф. Зависимость напряжений в материале при ультразвуковой обработке от амплитуды колебаний и силы прижима. — Акуст. ж., 9, вып. 1, 120, 1963.

17. Казанцев В.Ф., Мечетнер Б.Х., Розенберг Л.Д. Новый высокопроизводительный способ ультразвуковой обработки. — В сб. «Электрофизические методы обработки материалов», вып. 6. Изд-во ЭНИМС. М., 1964,стр. 163.

18. Казанцев В.Ф., Розенберг Л.Д. The Mechanism of Ultrasonic Cutting. Ultrasonics, 4, 166, 1965.

19. Казанцев В.Ф. Физические основы процесса ультразвуковой обработки. Капд. дисс. М., 1963.

20. Казанцев В.Ф. Oscillation of Rod Pressed to Elastic Surface. L 48.5 Congr. Internal. Acoustique. Liege, 7—14 sept., 1965.

21. Казанцев В.Ф., Тиссенбаум Ю.Л. О характере движения суспензии абразива при ультразвуковой обработке. — Акуст. ж., 7, вып. 4, 19.493, 1961.

22. Казанцев В.Ф., Ультразвуковое резание. В кн. Физические основы ультразвуковой технологии. М.: 1970 С. 11- 69.

23. Койфман М.И. Минеральные дисперсоиды в абразивных процессах. Докт. дисс. М., 1941.

24. Кудинов В.А. Динамика станков. Изд-во "Машиностроение", Москва, 1967.

25. Лифшиц А.Л., Мечетнер Б.Х. Ультразвуковые станки. — В сб. «Станкостроение в капиталистических странах». Под. ред. А. П. Владзнев-ского. М., Машгиз, 1961, стр. 567.

26. Марков А.И. Резание труднообрабатываемых материалов при помощи ультразвуковых и звуковых колебаний. Машгиз, 1962.

27. Марков А.И., Лямин Б.Н. Способ ультразвуковой обработки. Авт. свид. СССР № 109844 от 14.1 1957 г.

28. Марков А.И. Ультразвуковое резание труднообрабатываемых материалов, М., «Машиностроение», 1968.

29. Метелкпп В.В., Метелкип И.В., Н.В. Плешивцев. Производительность при ультразвуковом резании. Машиностроитель, 8, 33, 1962.

30. Мечетнер Б.Х. и Яхимович Д.Ф. Состояние и перспективы развитая ультразвуковой размерной обработки, Станки и инструмент, 1967, № 9.

31. Мечетнер Б.Х., Моисеенко Г.Н. Выбор метода сверления отверстий в хрупких материалах. «Электрофизические и электрохимические методы обработки», Научно-техн. реф. сб.(НИИмаш), 1974, вып. 2.

32. Мечетнер Б.Х., Барке В.Н., Манин М.И. Технология ультразвуковой обработки. (Руководящие материалы). ЦБТИ, ЭНИМС. М., 1959.

33. Мечетнер Б.Х., Устьяпцев А.А., Яхимович Д.Ф. Универсальные и специализированные ультразвуковые станки. — В сб. «Применение ультразвука в технологии машиностроения». М., 1960, стр. 197, ЦИНТИ.

34. Мечетнер Б.Х., Разработка ультразвуковых станков большой мощности. Канд. дисс. М., 1965.

35. Мечетнер Б.Х., Манин М.И. Технологические характеристик ультразвуковой обработки твердых сплавов при ее совмещении с процессом анодного растворения., В кн.: Ультразвук в машиностроении., М., ЦНИИ-ПИ, 1966.

36. Мечетнер Б.Х. и Яхимович Д.Ф. Ультразвуковые копировально-прошивочные станки, Станки и инструмент, 1977, № 9., С. 32-33.

37. Мечетнер Б.Х. Стойкость используемого при ультразвуковой обработке абразива.— Техн.-информ. бюлл. ЦКБ УВУ, № 2(20), 26, 1961.

38. Нерубай М.С. Интенсификация алмазной обработки путем применения ультразвука, Станки и инструмент, 1977, № 2, С. 11-12.

39. Поляков З.И. Исследование сил, возникающих при ультразвуковом резании. Ультразвуковая техника, 3, 39, 1963.

40. Пух В.П. Изучение скорости роста трещин в прозрачных телах с помощью высокоскоростного фотографирования. Рефераты докл. на II совещании высокоскоростной фотографии и кинематографии. Изд-во АН СССР, 1960.

41. Розенберг Л.Д. и др. Ультразвуковое резание, М., Изд-во АН СССР, 1962.

42. Розенберг Л. Д, Казанцев В.Ф. О физике ультразвуковой обработки твердых материале». — ДАН СССР, 124, N 1, 79, 1959.

43. Ростовцев Н.М., Епифанов Г.И. Влияние механических свойств твердых тел на скорость их ультразвуковой обработки. — ДАН СССР, 136, №4, 807,1961.

44. Ростовцев Н.М. Опыты по ультразвуковой обработке материалов при повышенном гидростатическом давлении. В сб. Применение ультраакустики к исследованию вещества. Изд. МОПИ, Вып. XII, стр. 5363, 1960.

45. Рыбин А.А. Геммы и ультразвук. — Самоцветы, № 2 (8), 15, 1962, ЦНИЛКС.

46. Самарин И.А., Тявловский М.Д. Устройство для ультразвуковой обработки изделий, А.С. СССР, № 603433, 1978.

47. Стрелков С.П. Введение в теорию колебаний. Изд-во "Наука", Москва, 1964, стр. 71 и (246-259).

48. Тихонов А.Н., Самарский А.А. Уравнения математической физики. ГИТТЛ, 1953, стр. 76.

49. Ужик Г.В. Сопротивление отрыву и прочность металлов. Изд-во АН СССР, 1951.

50. Фридман Я.В. Механические свойства металлов. Изд. 2, переработ. и доп. М., Оборонгиз, 1952, гл. 12.

51. Шингель Л.П., Кибишев Т.В., Иванов С.В. Устройство для ультразвуковой обработки. А.С. СССР, № 1250936, 1983.

52. Шрейнер Л. А. Твердость хрупких тел. Изд-во АН СССР, 1949.

53. Ящерицын П.И. Махаринский Е.И. Планирование экспериментов в машиностроение, стр. 15.

54. Aspinwall D. k., Wise М. L. Н. Review: towards ultrasonic contour machining, ISEM'Xl: Symp. Electromachine, Proc.- Lausanne, Apr. 17-21, C. 953963., 1995.

55. Balamuth L. Method of Abrading. Англ. пат. N 602801, 1948.

56. Blank D. Glasbearbeitung durch Stosslappen bei Ultraschallfre-quenz. (Ultraschallbearbeitung) Glastechn. Ber. 1961., 34, N 11, C. 534-544.

57. Blank D. Glassbearbeitung durch Stosslappen bei Ultraschallfre-quenz (Ultraschallbearbeitung). — Glasstechn. Ber., 34, N 11, 534, 1961.

58. Bory, Michael, Dieter Hansen AG. Ultraschall-bearbeitungs-werkzeug. Patent Number 671 529 , Швейцария, 1989.

59. Boiy Michael, Maho Hansen, Ultraschallbearbeitungsmaschine, AG.- № 4016/88.-1990., Пат. № 676097 Швейцария.

60. Fac. Engng Univ. Tokyo, 26, N 1, 69, 1959.

61. Galkins Noel. C. Automatic feed system for ultrasonic machining. U.S. Patent. Number 5,303,510,1994.

62. Gerald M.J., Dennis H.S., Gerald K.S. Radially-resonant structures. UK Patent Number GB 2 216 223 A, 1989.

63. Jackson. Sonically Induced Microstreaming Near a Plan Boundary II. Acoustic Streaming. — JASA, 3, N 11, 1387, 1959.

64. Hartely M. S .Ultrasonic Machining of Brittle Materials. — Electronics, 132,1956.

65. Hideki Takabayasi, Teruhiko Moriyama. Ultrasonic machine having amplitude control unit. U.S. Patent Number 5,101,599,1992.

66. Kiyhido Tsutsumi. Supporting device for Ultrasonic Vibration Assembly. U.S. Patent Number 4,995,938,1989.

67. Kops L. Probing the Ultrasonic Cutting Processes. Metalworking Production, 105, N6, 51, 1961.

68. L'usinage des metaux et corps durs sur la machine ultra-sonore diatron. — Ind. frac. 7, N 78, 891, 1958.

69. Miller G.E. Speacial Theory of Ultrasonic Machining. — J. Appl. Phys., 28, N2,149,1957.

70. Neppiras E.A. Report on Ultrasonic Machining. What is Ultrasonic Machining.— Metalwork. Product., 100, N 27, 1283, 1956.

71. Neppiras E.A., Fosket R. D. Ultraschall Materialbearbeitung. Philips' Techn. 2, 37, 1957.

72. Nishimura G., Jimbo I., Shimakawa S. Ultrasonic machining (p. I). J. Fac. Engang Univ. Tokyo, 24, N 3, 65, 1955.

73. Neppiras E.H. Report on ultrasonic machining. How Fast Will Ultrasonic Drills Cut. Metalwork. Product., 100, N 30, 1420, 1956.

74. Nishimura G., Yanagishima K., Shima T. Ultrsonic Mechanical Machining (IX). (1). Machining Speed and Mixing Ratio of Abrasives. (2) Machining Speed and Geometrical Condition of Tool. — J. Fac. Engng Univ. Tokyo, 26, N2, 129, 1959.

75. Nishiinura G., Yanagishima K., Shima T. Ultrasonic Mechanical Machining (part VII). Machining process and Machining Characteristics.— J. Fac. Engng Univ. Tokyo, 26, N 1, 53, 1959.

76. Neppiras E.A. Report on Ultrasonic Machining. The Mechanism of

77. Ultrasonic Drilling. — Metalwork. Product., 100, N 28, 1333, 1956.

78. Nichimura G., Yimbo Y. Ultrasonic Mechanical Machining (part VIII). Static Pressure Impulsive Force and Contact Time in Machining State.

79. J. Fac. Engng Univ. Tokyo, 26, N 1, 69, 1959.

80. Nishiinura G., S. Shimakawa. Ultrasonic Mechanical Machining (part IV). — J. Fac. Engng Univ. Tokyo, 25, N 4, 213, 1958.

81. Ohira M., Kagayama H., Akutsu O. Some Considerations on Mechanism in Ultrasonic Machining. Chips Removed, Traces Left, Residual Strains.

82. J. Soc. Precis. Mech. Japan, 27, N 9, 625, 1961.

83. Ohira M., Kagayama H., Akutsu O. Study of Ultrasonic Machining-contact Angle, Machining Load and Penetrating Depth. — J. Soc. Precis. Mech. Japan, 27, N 7, 480, 1961.

84. Pahlizsch G., Blank D. Fortschritte beim Stosslappen mit Ullra-schallfrequenz. — Werkstattstechnik und Machnenbau, 50, 592, I960.

85. Show M.E. Das Schleifen mit UltraschallMikrotcchnik, 10, N 6, 265, 1956. Number 5,303,510,1994.

86. Schmidt Erwin. Ultraschal-Bearbeitungsmaschine. Заявка на изобретение №4139538, 1992.

87. Sprode, harte Werkstoffe mit Ultraschall bearbeiten, J. Werkstatt und Betr., 1990 123, № 9, C. 684., Нем.

88. Taniguchi N. Analysis of Machining Force of Ultrasonic Machining. Repts Fac. Engng Yamanashi Univ., 9, 131, 1958.

89. Taniguchi N. Characteristic of Ultrasonic Mechanical Machining Materials—J. Soc. Precis. Mech. Japan, 22, N 6, 251, 1956.

90. Macao Идэ. Ультразвуковые станки для микрообработки. //Сереку то дзидока = J. Labor. Sav. and Аитот .—1989 .—20 ,№ 9 .—С. 41—44 .—Ял.

91. Яоита Тацуя. Ультразвуковой станок для обработки керамики. Mech. Eng. 1989.-37, № ю, С. 41-46.

92. Honen von bohrungen mit Hochfrequenz. Machine. 1992. - 46, №7.8.-С. 21. Нем.

93. Gilmore R. Ultrasonic machining and polishing, ISEM'Xl: Symp. Elec-tromachine, Proc.- Lausanne, Apr. 17-21, C. 941-951., 1995.

94. Ultrasonic machine for drilling micro-holes, Mech. Eng.-1989-37- № 10.

95. Ultrasonic die repolishing, J. Wire Ind., —1991.—58 ,№ 6955. — C.666.