Обеспечение заданных параметров поверхностного слоя шарико-стержневым упрочнением с учетом безопасных условий реализации технологического процесса тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Морозов Сергей Анатольевич

• Морозов Сергей Анатольевич
• кандидат наук
• 2022

Оглавление диссертации кандидат наук Морозов Сергей Анатольевич

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Влияние местного упрочнения методами ППД на повышения эксплуатационных свойств деталей машин

1.2. Основные параметры и технологические возможности ШСУ

1.3. Краткий обзор работ по шарико-стержневому упрочнению ответственных деталей машин

1.4. Анализ вредных факторов при реализации технологического процесса обработки ШСУ

1.5. Выводы по первой главе

2. ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ

2.1. Исследование остаточных напряжений

2.2. Формирование шероховатости обработанной поверхности

2.3. Исследование формирование параметров качества

2.4 Расчёт времени обработки

2.5. Теоретические исследования шумообразования при упрочнении деталей типа тел вращения, представляющих собой стержни и

оболочки

2.6 Выводы по второй главе

3. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

3.1 Технологическое оборудование

3.2 Измерительные приборы

3.3 Характеристика образцов, используемых при проведении исследований

3.4 Методика исследований шероховатости обработанной поверхности

3.5 Методика исследований остаточных напряжений

3.6 Методика исследования шума при обработке

3.7 Обработка результатов исследований

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ

4.1 Формирование шероховатости поверхности

4.2 Исследование параметров упрочнения

4.3 Формирование остаточных напряжений

4.4 Исследование процесса виброакустической динамики

4.5 Выводы по четвёртой главе

5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

5.1 Конструкция стенда для местного упрочнения деталей типа тел вращения в малошумном исполнении

5.2 Разработка технологических рекомендаций

5.3 Разработка алгоритма оптимизации технологических 85 параметров

5.4 Выводы по пятой главе

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение 1 - Технический акт испытаний

ВВЕДЕНИЕ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обеспечение заданных параметров поверхностного слоя шарико-стержневым упрочнением с учетом безопасных условий реализации технологического процесса»

Актуальность темы

Длительность жизненного цикла машин и составляющих деталей в значительной мере определяется не только конструктивными параметрами, но показателями качества поверхностного слоя, формируемыми в процессе механической обработки. Наиболее сильное влияние оказывают финишные методы обработки технологические параметры которых формируют эксплуатационные свойства обработанной детали.

Методы обработки поверхностным пластическим деформированием (ППД) дают возможность решать задачи увеличения жизненного цикла изделия за счет повышения надежности работы ответственных деталей машин, что особенно важно для фасонных элементов таких деталей. Большим преимуществом многих методов ППД является возможность обработки локальных участков деталей сложной конфигурации, на поверхности которых содержатся элементы, являющиеся концентратором напряжений. Многие методы ППД также позволяют осуществлять доработку мест крепления деталей, при обработке мест всех их поверхностей в станках осуществляющих обработку деталей значительных размеров, а также локальных участков, на которых осуществлялась дополнительная механическая обработка.

Методы обработки ППД, в том числе и локальные, позволяют значительно снизить шероховатость поверхности обрабатываемой детали, повысить ее физико-механические свойства. Кроме того, методы ППД позволяют снимать в детали остаточные напряжения, образованные различными дефектами, которые образуются на предварительных стадиях механической обработки. Известно, что растягивающие остаточные напряжения могут значительно снизить усталостные характеристики детали, и наоборот, сжимающие - улучшить их.

Для отделочно-упрочняющей обработки локальных участков поверхности детали, содержащие фасонные элементы с небольшой разностью ординат, на кафедре «Технология машиностроения» ДГТУ под руководством профессора Бабичева А.П. разработано оригинальное устройство, защищенное патентом на изобретения, которое получило название - шарико-стержневой упрочнитель (ШСУ) [1]. По конструкции устройство ШСУ позволяет осуществлять обработку поверхности детали ударами стержней с цилиндрической заточкой, собранных в пакет, движение которых обеспечивается через гранулированную среду, что позволяет создать «гибкий» обрабатываемый инструмент, меняющий форму по мере движения по фасонной поверхности детали. Данный метод обработки имеет ряд преимуществ, такие как возможность обработки концентраторов напряжений крупногабаритных изделий, изделий сложной конфигурации, маложестких изделий.

К преимуществам рассматриваемого процесса следует отнести возможность обработки деталей сложных геометрических конфигураций, однако данный процесс имеет существенный недостаток - повышенные уровни шума. Следует отметить, что при реализации технологических процессов, основанных на ударных воздействиях на упрочняющую поверхность к которому относится ШСУ создается очень неблагоприятный спектральный состав шума с точки зрения вредности воздействия на организм работающих.

Поэтому представленная диссертация, посвященная разработке теоретической модели формирования комплекса геометрических и физико-механических свойств обработанных деталей и созданию безопасных условий реализации технологического процесса шарико-стержневого упрочнения, является актуальной.

Целью диссертационной работы является обеспечение заданного качества поверхностного слоя обработанных деталей и безопасных условий реализации технологического процесса при шарико-стержневом упрочнении.

5

Основные задачи исследования

В соответствии с поставленными в работе целями решаются задачи исследования, определяющие структуру диссертационной работы:

1. Теоретическое моделирование формирования остаточных напряжений в поверхностном слое обрабатываемых деталей.

2. Экспериментальная проверка комплексной модели формирования геометрических и физико-механических свойств поверхностного слоя обрабатываемых деталей.

3. Разработка методики расчета рациональных параметров технологического процесса шарико-стержневого упрочнения.

4. Теоретические исследования закономерностей спектрального состава виброакустических характеристик процесса обработки ШСУ деталей типа тел вращения различных геометрических конфигураций.

5. Проведение экспериментальных исследований спектров шума и вибраций при реализации технологического процесса шарико-стержневого упрочнения.

6. Разработка инженерной методики обеспечения безопасных условий реализации технологического процесса.

Научная новизна работы заключается в следующем:

Предложена и экспериментально обоснована теоретическая зависимость для расчета величины и знака остаточных напряжений в поверхностном слое обрабатываемой детали. Установлены закономерности спектрального состава виброакустических характеристик процесса обработки ШСУ. Разработан алгоритм выбора рациональных параметров обработки ШСУ.

Практическая значимость работы:

1. Разработана комплексная методика инженерного расчёта рациональных технологических параметров местного шарико-стержневого

6

упрочнения, а также акустического расчета доминирующих источников шума на стадии проектирования технологического процесса.

2. Предложен алгоритм и программа прогнозирования результатов обработки.

3. Разработана и теоретически обоснована конструкция специального стенда для обработки шарико-стержневым упрочнением широкой номенклатуры деталей обеспечивающего выполнения безопасных условий реализации технологического процесса.

Объектом исследования является технология обработки шарико-стержневым упрочнением.

Предметом исследования являются геометрические и физико-механические параметры определяющие качества и жизненный цикл обрабатываемых деталей.

Теоретической базой исследований являются теоретические основы технологии машиностроения, теория обработки деталей поверхностным-пластическим деформированием, промышленной акустики.

Работа выполнена на кафедре «Технология машиностроения» Донского государственного технического университета.

Личный вклад автора состоит в проработке научной и нормативной литературы по теме диссертации. В разработке методики и осуществлении исследований формирования остаточных напряжений при обработке ШСУ. Предложен алгоритм и разработана программа, обеспечивающая проектирования рациональных технологических параметров обработки детали сложной геометрической формы с учетом соответствия параметров звукового поля предельно допустимым уровнем шума.

Апробация результатов работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и национальных конференциях: «Перспективные направления отделочно-упрочняющей обработки и виброволновых технологий» (Ростов-на-Дону, 2728 февраля 2018 г., Донской государственный технический университет);

7

XX Всероссийская научно-техническая конференция «Аэрокосмическая техника, высокие технологии и инновации» (АКТТИ-2019) (Пермь, 1415 ноября 2019 г., Пермский национальный исследовательский политехнический университет), «Перспективные направления развития отделочно-упрочняющей обработки и виброволновых технологий» (Ростов-на-Дону, 28 февраля 2020 г., Донской государственный технический университет), II Всероссийская научно-техническая конференция «Отечественный и зарубежный опыт обеспечения качества в машиностроении» (Тула, 8-9 октября 2020 г., Тульский государственный университет), «Фундаментальные основы физики, химии и механики наукоемких технологических систем формообразования и сборки изделий» (Ростов-на-Дону, 22-26 сентября 2021 года, Донской государственный технический университет).

Область исследования

Содержание исследований соответствует специальности 2.5.6 «Технология машиностроения». Область исследования №2 (Технологические процесса, операции, установы, позиции, технологические переходы и рабочие ходы, обеспечивающие повышения качества изделии и снижение их себестоимости) и №5 (Методы проектирование и оптимизации технологических процессов).

Публикации результатов работы. По материалам диссертации опубликовано 11 печатных работ, в том числе 6 в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях, входящих в перечень ВАК РФ.

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, 5 глав, общих выводов и рекомендаций, списка использованной литературы из 103 наименований, имеет 51 рисунок, 10 таблиц и изложена на 110 страницах машинописного текста. Сведения о техническом акте испытаний вынесены в приложение.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1 Влияние местного упрочнения методами ППД на повышения эксплуатационных свойств деталей машин

Современное машиностроение предъявляет высокие требования к повышению эксплуатационных свойств изделий. Среди важных эксплуатационных свойств изделий машиностроения ведущее место занимает длительность жизненного цикла машин, которая определяется длительностью жизненного цикла наиболее нагруженных деталей.

Важную роль при увеличении жизненного цикла таких деталей играет благоприятная величина параметров их поверхностного слоя: шероховатость, микротвердость и остаточные напряжения. Проанализировав современные тенденции развития методов изготовления ответственных деталей машин, можно сделать вывод, что на величину параметров поверхностного слоя наибольшее влияние оказывают финишные методы обработки. Среди этих методов наиболее эффективными с точки зрения повышения эксплуатационных свойств деталей являются методы обработки поверхностным пластическим деформированием (ППД)

[9,16,24,25,27,30,31,33,36,37,51,57,58,62,64,65,85,92,93,94,97]. Следует также учитывать, что с точки зрения улучшения экономических показателей производства ответственных деталей машин целесообразно использовать методы местного упрочнения, которые позволяют значительно снизить влияние концентраторов напряжений на снижение их жизненного цикла.

Основные технологические задачи, решаемые методами местного упрочнения ППД, сводятся к снижению шероховатости, повышению микротвердости и созданию сжимающих остаточных напряжений в поверхностном слое обработанных деталей.

Следует также отметить, что использование методов ППД позволяет значительно уменьшить влияние неблагоприятной технологической наследственности, возникающее при изготовлении заготовок и черновой обработке деталей машин. Как положительное явление следует также отметить отсутствие ухудшения эксплуатационных свойств деталей в переходных зонах от упрочненного участка к неупрочненному, что является существенным недостатком при использовании термических методов упрочнения.

Большое количество существующих методов упрочнения позволяет технологу выбирать наиболее эффективные в соответствии с требованиями чертежа и техническими условиями, заданными конструктором с учетом снижения энергоемкости и затрат физического труда.

Классификация методов обработки местным упрочнением с использованием ППД приведена на рис. 1.1.

Рис. 1.1 Классификация методов обработки ППД

В данной работе рассматривается процесс местного упрочнения ответственных деталей оригинальным инструментом - шарико-стержневым упрочнителем. Технологические системы для данного вида обработки состоят из шарико-стержневого упрочнителя, закрепленного на рабочем органе традиционного металлорежущего оборудования (токарно-винторезные станки, универсально-фрезерные станки), либо из полностью оригинального оборудования для шарико-стержневой обработки. Обработка ШСУ позволяет улучшить параметры поверхностного слоя отверстий, переходных зон поверхностей фасонных деталей (галтелей, канавок и т.п.) [1,43-46,79-86,101-103].

Особо следует отметить возможность обработки сварных швов, зоны которых, как правило, являются самым слабым звеном с точки зрения долговечности деталей при их циклическом нагружении, которое испытывают наиболее ответственные детали при эксплуатации машин.

К сожалению, серьезным недостатком технологической системы обработки ШСУ является значительное превышение уровней шума на рабочем месте операторов по сравнению с санитарными нормами.

1.2. Основные параметры и технологические возможности ШСУ

Эффективное устройство для обработки ППД изобретено на кафедре «Технология машиностроения» ДГТУ. Руководитель разработки - профессор А.П. Бабичев [1].

Схема устройства для обработки ШСУ представлена на рис. 1.2.

5 2 6 4 3 1 7

Рис. 1.2. Схема устройства для шарико-стержневого упрочнения: 1 -ударник пневмомолотка, 2 - упаковка стержней-инденторов со сферической заточкой, 3 - корпус упрочнителя, 4 - стальные шары, 5 - обрабатываемая

В качестве привода для создания ударной нагрузки чаще всего используют пневмомолотки, технические характеристики которых представлены в таблице 1.1.

На корпус пневмомолотка крепится устройство шарико-стержневого упрочнителя, содержащее специальную обойму (корпус поз. 3), в который засыпается несколько слоев стальных шаров (поз. 4), на корпус крепится специальный цанговый зажим (поз. 6), который позволяет фиксировать в нерабочем положении пучок цилиндрических стержней-индентеров, имеющих сферическую заточку и освобождать их при осуществлении нажима индентеров на поверхность детали.

Наличие нескольких слоев стальных шаров позволяет пучку индентеров принимать форму участка поверхности обрабатываемой детали, к которой осуществляется прижатие устройства.

При работе пневмопистолета бойку сообщается ударная энергия с частотой, указанной в таблице 1.1, которая с высоким коэффициентом полезного действия передается стальными шарами на стержни-индентеры, сферическая заточка которых позволяет получать пластические отпечатки, формирующие профиль шероховатости обработанной поверхности и благоприятные параметры её физико-механических свойств.

Таким образом, устройство позволяет осуществлять местное и общее упрочнение деталей сложной конфигурации аналогично гранулированным рабочим средам со значительной энергией ударного воздействия индентеров, соизмеримой с такими методами, как чеканка и дробеструйная обработка [1,43-46,79-86,101-103].

Мощность устройства выбирается в зависимости от решаемой технологической задачи в соответствии с данными таблицы 1.1.

Технические характеристики пневмомолотков

Наименование параметра инструмента Един, пзмере нпя Тип пневмомолотка

КИМ -14М КИМ 04М КИМ -34М КИМ -42М

Энергия единичного удара Дж 2,5 5 10 12,7

Частота ударов Гц 42 37 23 19

Расход сжатого воздуха м3/мин 0,3 0,45 0,65 0,75

Давление сжатого воздуха атм. 5

Масса молотка (без насадки) кг 1,3 1,6 2 3 3,3

Габариты длина мм 166 196 270 355

ширина 41 46 52 65

Вышеуказанные свойства позволяют осуществлять

высокоэффективную обработку поверхности фасонных деталей с малым перепадом высот, залечивать дефекты поверхности в виде каверн и небольших лунок, уменьшать величину растягивающих остаточных напряжений в поверхностном слое обрабатываемых деталей или переводить их в сжимающие, увеличивать твердость близлежащих поверхностных слоев, уменьшать шероховатость обрабатываемой поверхности, а также придавать микрорельефу поверхности регулярный характер.

Как уже указывалось ранее, шарико-стержневое упрочнение создает возможность местного упрочнения локальных поверхностей детали, расположенных вблизи концентраторов напряжений, а также дорабатывать затененные при общей обработке ППД места крепления крупных деталей. Для создания регулярного микрорельефа устройство может быть использовано путем закрепления на шпинделе токарного либо фрезерного станка с числовым программным управлением, что позволяет выполнять с большой точностью необходимое соотношение размеров стержней и величины их подачи.

Вышеуказанные обстоятельства позволяют сформировать значения параметров поверхностного слоя, необходимые для значительного повышения эксплуатационных свойств детали и, как итог, обеспечивать эффективное увеличение жизненного цикла деталей, работающих в условиях повышенных нагрузок и знакопеременных напряжений.

1.3 Краткий обзор работ по шарико-стержневому упрочнению ответственных деталей машин

Несмотря на значительные вышеуказанные преимущества обработка ШСУ имеет весьма ограниченную область применения, что, в первую очередь, связано с недостаточной проработкой методик технологического

проектирования, обусловленный малым объемом проведенных исследований.

Трудности технологического проектирования обусловлены отсутствием адекватных теоретических зависимостей, связывающих режимы обработки и конструктивные параметры упрочнителя с величиной и знаком остаточных напряжений (положительным или отрицательным, то есть растягивающих или сжимающих).

Разработка теоретических моделей и проведения экспериментов обработки заготовок ШСУ проводились в основном в следующих работах.

В работе Прокопец Г.А. [59-60] представлен обзор различных схем обработки ШСУ. Установлены основные технологические возможности рассматриваемого процесса, определено влияние некоторых конструктивных параметров оборудования на производительность и качество обработки. Рассмотрены возможные потери энергии возникающие в результате трения шариков и стержней, и передачи ударного воздействия, определена величина коэффициентов полезного действия при различных схемах обработки. Доказана возможность получения регулярных микрорельефов и частично регулярных микрорельефов заданной формы.

В работе Аксенова В.Н. [22,23,52] проведены исследования динамических характеристик устройств ШСУ, рассмотрен процесс прохождения ударных импульсов через слои шариков и стержни, предложен расчет коэффициентов полезного действия и методика конструирования устройства для их повышения. При проведении анализа основные элементы конструкции устройства рассматриваются как тела с бесконечной жесткостью (кроме слоев стальных шариков), а также не рассматривается влияние нелинейных эффектов, вызываемых периодическими соударениями.

В работе Холоденко Н.Г. [22,23,52,91] рассмотрен технологический процесс обработки гребных винтов устройством ШСУ, имеющим шестигранный пакет стержней. Проведены исследования предельного радиуса кривизны и перепада по высоте обрабатываемой поверхности в

16

зависимости от размера пакета стержней и их количества. Проведены исследования влияния радиуса заточки и диаметра стержня на параметры качества обрабатываемой поверхности. Получены эмпирические зависимости для расчета шероховатости поверхности обработанной детали.

В работе Щерба Л.М. [39-40,96-100] проведены исследования обработки ШСУ деталей типа тел вращения на станках токарной группы. Получены модели для расчета параметров качества поверхностного слоя в зависимости от режимов обработки и конструктивных особенностей ШСУ: - шероховатости поверхности:

^(1.1)

уст Ост ^М-Нв-ксф' 7

- степени деформации:

4/ й-Еу-Ц

е = ^од^, (1.2)

Б у 7

глубины наклепанного слоя:

4 I И-Еу-п

а = 1,5-1-(1.3)

где Еу - энергия единичного удара ударника пневмомолотка,

г] - коэффициент полезного действия устройства, зависящий от потери

Предложена методика выбора конструктивных параметров упрочнителя и расчета режимов обработки при упрочнении деталей типа тел вращения.

В работе Исаева А.Г. [18-21] проведены исследования обработки ШСУ деталей, имеющих плоские поверхности на станках фрезерной группы.

17

Разработаны зависимости для расчета параметров упрочнения для деталей из различных материалов.

Шероховатость обработанной поверхности рассчитывается следующем образом:

= 0,03 I Еу'\12. (1.4)

-\1 ОМ-НВ1'12 у 7

Параметры упрочнения поверхностного слоя рассчитываются по следующим зависимостям:

ку =

Ч

ЕуУ

Б-М-НВ1'12)_ ^ ^

В

г = 1,1341 Еу'\12. (1.6)

^ ПЗ^М-НВ1'12 у 7

где г] - коэффициент полезного действия ШСУ,

Б - диаметр сферы, Еу - энергия удара, НВ - твердость по Бринеллю.

Предложена методика выбора рациональных параметров обработки плоских деталей ШСУ.

При анализе вышеприведённой информации можно сделать вывод, что достаточно подробно изучены процессы формирования таких параметров упрочнения как степень деформации и глубина упрочнённого слоя, а также микрорельефа обработанной поверхности. Следует отметить, что остаточные напряжения поверхностного слоя изучались только экспериментально, что не позволяет производить их прогнозирование на этапе технологического проектирования. Учитывая, что остаточные напряжения оказывают определяющее влияние на длительность жизненного цикла деталей следует уделить большое внимание теоретическим исследованиям их формирования.

3

8

1.4 Анализ вредных факторов при реализации технологического процесса обработки ШСУ

В настоящее время выполнены следующие исследования шума и вибрации при реализации технологического процесса обработки ШСУ.

В работах Щербы Л.М. [39-40, 96-100] изучались виброакустические характеристики процесса ШСУ реализуемые при помощи токарных станков. Обрабатывались только детали цилиндрической формы с учетом того, что шарико-стержневой упрочнитель перемещается со скоростью подачи вдоль обрабатываемой поверхности.

Уровни звуковой мощности такого источника определяются:

где - виброскорости деталей на собственных формах колебаний, м/с;

Важное значение имеет создание адекватной модели источника шума, в дальнейших исследованиях приняты две модели: балка с опорой на два шарнира и балка с консольным закреплением.

Учитывая основные положения сопротивления материалов, получены следующие зависимости:

для балки с опорой на двух шарнирах

у ду(х,0 у2Ау -^€03-^1 у дЬ ¿^т01 /пк\4 (пкБЛ2 т01*

к=1 а Ы - (-г*)

для балки с консольным закреплением

(К2пкв,2т\ \iK2nks 2т\ 1

где Т - период чередования ударных возмущений;

к - коэффициент, характеризующий собственную моду колебаний;

- скорость подачи инструмента относительно заготовки, м/с;

а2 - коэффициент, характеризующий параметры детали;

тп0 - распределенная масса заготовки, кг/м;

Ау - коэффициент, характеризующий технологическую нагрузку;

Следует отметит, что автором не учтено количество стержней упрочнителя и частота их воздействия на упрочняемую деталь.

На основании разработанных моделей представлена конструкция (рис. 1.3) обеспечивающая безопасные условия реализации технологического процесса.

Рис. 1.3. Поперечный разрез ограждения установки для обработки ШСУ

Данная конструкция является весьма громоздкой и затрудняет удобство эксплуатации станка.

В работах Стуженко Н.И. [70-73] рассмотрен процесс шарико-стержневого упрочнения поверхностей катания улов колесных пар.

При расчеты акустических характеристик сделано допущение, что колеса и их крепления одинаковы и расположены симметрично.

Соответственно предполагается одинаковая величина силы соударения для всего пакета стержней ШСУ.

Для снижения уровней колебаний в зоне инструмент-деталь, оценена возможность учета модуля упругости в комплексной форме. Принято решение для проведения расчётов, учитывать только действующую часть скоростей колебания

ъш =

3Л0-4(РдНКдКстс) Ы

0,5

■Я"

п2

106к2^-(КсГв)2

Б1П-

пк.1-1

10*к2¥-(КсГв)2

' + 1012Н*£пк

(1.10)

Звуковое давление колеса определяется по формуле:

_ 1,2^КдРдтс)0'5^К1,5^/В*к(Я+Ы) „к

Р =

Як

к

пк1-[

1°6кк^к-(Кс/в)к

+1012н4^цк

(1.11)

После соответственных преобразований, получим: 1Р = 601дЯ + 101дРдКдНКстс + 201д(Я + К) + +201д

+20 1дЯк "

106к2^-(КсГв)2

31П-

пки

106к2^к-(КсГв)2

+ 100.

- 201дг +

(1.12)

Предложенная модель позволяет производить теоретические расчёты уровней звукового давления и обеспечить расчет октавного спектра шума.

Расчётная схема и теоретические исследования, поскольку упрочнялась только поверхность катания колес, фактически представляет собой деталь типа диска с постоянным моментом инерции.

В работах Исаева А.Г. [18-21, 78, 84, 86] рассмотрен процесс обработки ШСУ деталей плоской формы, на примере балок и пластин.

Соотношение размеров рассматриваемых деталей выбиралась из предположения что их длина значительно больше ширины и высоты. В качестве модели источника шума принят линейный источник ограниченной длины. Тогда зависимость для определения звукового давления можно представить в следующем виде:

/к - собственные частоты колебаний, Гц;

Т7 - площадь излучающей звук поверхности, м2;

г - расстояние от источника до расчетной точки, м. Собственные частоты деталей типа балок определяются как:

(1.13)

2жл] ( I ) т0 т0

(1.14)

I J т0 т0

}пр ~ приведенная жесткость технологической системы, Н/м; к - коэффициент определяющий собственные частоты колебаний.

При моделировании шумообразования, при обработке изделий типа балок, можно записать:

+ 201д-+106

(1.15)

р - плотность материала заготовки, кг/м3.

Как известно из основных положений станочной акустики определение уровней звукового давления производится с помощью расчета скорости колебания детали на собственных частотах.

Согласно схеме процесса обработки, силовое воздействие инденторов на обрабатываемую поверхность перемещается вдоль детали со скоростью продольной подачи. Тогда дифференциальное уравнение изгибных колебаний можно записать в виде:

+ ™о + ]пру = Рх8(х - х0)

(1.16)

5х4 и 8г2

где Рх - силовое воздействие со стороны технологического процесса, Н; 8{х — х0) дельта-функция смещения по координате х0.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Морозов Сергей Анатольевич, 2022 год

Источник питания

Сетевой адаптер:

Номинальные параметры 9В: 1,3 А

Напряжение питания 100В

Встроенный аккумулятор:

время зарядки Макс. 4 часа

количество измерении на одну Прпбл. 1000

зарядку

температура при зарядке 5-40°С

Диапазон температуры и влажности

Рабочая температура 5-40°С

Температура хранения -10°С-50°С

Влажность во время % 85

работы/хра нения

Вес г 498

Микротвердость поверхностного слоя обработанных деталей измерялась при помощи микротвердомера ПМТ-3 (рис. 3.4) [14]. Техническая характеристика прибора ПМТ-3 представлена в таблице 3.2.

Рис. 3.4. Прибор ПМТ-3

Таблица 3.2

Технические характеристики микротвердомера ПМТ-3

Наименование Единица измерения: Значение

Увеличение микроскопа - 130 и 487*

Алмазная пирамида:

угол при вершине - 13

острие при вершине мкм не более 1

пределы нагрузки Гс 2-200

Пределы измерения диагоналей отпечатков мм 0,005-0.25

(с объективом Т=6.2)

Предметный столик:

пределы поворота - -0-130е

пределы продольного перемещения мм 0-10

пределы поперечного перемещения мм 0-10

цена деления шкалы микрометрическои

подачи мм 0.01

Действующее относительное отверстие - 1:0.7

коллектора осветителя

Питание производится через трансформатор от сети 127/2 20В переменного тока

Габаритные размеры: миктютб ер до мер а в рабочем положении ..............1.„... „„...„„...„„.£.„„.■-,,..,,,..,,,..,,, д.,,.. 1 мм 410x290x200

трансформатора 145x110x70

Масса:

микротвердомера кг 21,6

трансформатора 1.72

Исследование остаточных напряжений осуществлялось в центральной измерительной лаборатории ПАО «Роствертол» на автоматическом стенде АСКОН-3-КАИ по специальной методике, разработанной совместно с Казанским авиационным институтом имени А.Н. Туполева (рис. 3.5).

Рис. 3.5 Общий вид прибора АСКОН-3-КАИ

Измерение шума и вибраций при обработке ШСУ осуществлялись в лаборатории «Технология машиностроения» при помощи приборов «Экофизика» и «Октава».

Замеры производились как во время обработки деталей, так и при работе станка без включения ШСУ. Измерение уровней звукового давления осуществлялось по стандартной методике с задействованием восьми точек, расположенных на измерительной поверхности.

3.3 Характеристика образцов, используемых при проведении исследований

Для проверки адекватности полученных теоретических моделей и установления эмпирических закономерностей использовались образцы с различными физико-механическими характеристиками из материалов, наиболее часто используемые в машиностроении, таких как алюминиевые сплавы В95, АВТ, а также стали Ст3, 45, ХВГ, 40ХНМА.

Форма и размеры образцов представлены на рис. 3.6, 3.7 и 3.8.

Рис.3.6. Форма и размеры образца для исследования параметров шероховатости поверхности

Рис. 3.7. Форма и размеры образца для исследования микротвердости

Рис. 3.8. Образцы для проведения измерений остаточных напряжений

на приборе АСКОН-3-КАИ

3.4 Методика исследований шероховатости обработанной поверхности

Представленные выше образцы обрабатывались при использовании ШСУ с различным количеством стержней при этом изменялись их радиусы заточки, а также время обработки.

Профилограммы, записанные на профилографе SURFTESTSJ-210, обрабатывались с помощью специальной компьютерной программы для получения значений различных параметров шероховатости как стандартных, так и оригинальных, которые используются при проведении научных исследований.

Результаты экспериментальных исследований подвергались статистической обработке по стандартной методике. Величина доверительного интервала составляла 95%.

3.5 Методика исследований остаточных напряжений

Экспериментальные исследования по определению статочных напряжений проводились в центральной заводской лаборатории ПАО «Роствертол» по специальной методике [98], разработанной Казанским авиационным институтом.

Материал образцов - алюминиевый сплав В95.

Измерение остаточных напряжений производилось с использованием метода Давиденкова. С обработанных образцов вырезались пластины, с которых производилось послойное стравливание материала с замером их прогиба.

3.6 Методика исследования шума при обработке

Измерение акустических характеристик процесса осуществлялось при помощи акустического комплекта «Экофизика». Исследовались акустические характеристики как постоянного, так и переменного шума. В соответствии с рекомендациями по станочной акустике измерения производились на холостых режимах и в процессе обработки. При этом использовалась широко известная стандартная методика, описанная в источнике [17].

3.7 Обработка результатов исследований

В соответствии с рекомендациями по теоретико-вероятностной обработке эмпирические данные рассматривались как набор случайных величин, определялась их математическое ожидание и дисперсия. Затем по стандартной методике вычислялись доверительные интервалы с вероятностью 95% [6,8].

Экспериментальная проверка полученных моделей организована на базе научно-исследовательского отдела кафедры «Технология машиностроения» ДГТУ (обработка образцов, измерение шероховатости и параметров упрочнения поверхностного слоя) и научно-исследовательской лаборатории ПАО «Роствертол» (исследования остаточных напряжений).

4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ ПАРАМЕТРОВ КАЧЕСТВА ПОВЕРХНОСТНОГО СЛОЯ

4.1 Формирование шероховатости поверхности

Для подтверждения возможности увеличения жизненного цикла деталей путем обработки ШСУ и проверки целесообразности использования полученных на кафедре «Технология машиностроения» ДГТУ зависимостей и проведена серия экспериментов.

Сравнение теоретических и экспериментальных результатов представлены на рис. 4.1-4.4.

Рис. 4.4. Кривая опорной поверхности образца из алюминиевого сплава В95 после обработки ШСУ (натяг 4,5 мм)

В результате анализа данных экспериментальных исследований и сравнения их с результатами теоретических расчетов формирования шероховатости поверхности при обработке ШСУ можно сделать следующие выводы:

1. Начальная часть опорных кривых позволяет утверждать, что обработка ШСУ повышает такие эксплуатационные свойства обработанных деталей, как контактная жесткость, износостойкость и т.п.

2. Небольшая разница данных теоретических расчетов и экспериментальных исследований позволяет рекомендовать указанные в главе 2 теоретические зависимости для технологического проектирования

4.2 Исследование параметров упрочнения

Для подтверждения возможности увеличения жизненного цикла деталей путем обработки ШСУ, проверки целесообразности использования полученных моделей и проведена серия экспериментов.

На рис. 4.5-4.8 представлены результаты проверки адекватности полученных моделей.

'1111111111—1—1-►

4 6 Я 10 12 1&

Рис. 4.5. Зависимость степени деформации от диаметра заточки стержня для алюминиевого сплава Б95: число стержней М= 19, натяг —1.5 мм

По результатам проведенных исследований можно сделать следующие выводы:

1. В результате обработки ШСУ формируются качественные параметры упрочнения поверхностного слоя, что в значительной мере способствует увеличению жизненного цикла деталей.

2. Разница между результатами экспериментальных исследований и результатами теоретических расчетов не превышает 15%, что позволяет рекомендовать приведенные в главе 2 теоретические зависимости для технологического проектирования.

4.3 Формирование остаточных напряжений

Для проверки адекватности зависимости, представленной в главе 2, проведены экспериментальные исследования. В связи с необходимостью использования уникального оборудования, имеющегося в регионе в одном экземпляре на ПАО «Роствертол», эти исследования проведены в условиях предприятия на автоматизированном стенде контроля остаточных напряжений АСКОН-3-КИ. Обработке ШСУ подвергались образцы алюминиевого сплава В95 формы прямоугольных параллелепипедов размеров 200x100x20 мм. Для проведения исследований из обработанных образцов электроискровым методом вырезались пластины (рис. 3.8) Дальнейшие измерения осуществлялись на автоматизированном стенде контроля остаточных напряжений по методу Давиденкова. Измеренные значения сравнивались с теоретическими, рассчитанными по теоретической формуле. Результаты расчетов представлены в таблицах 4.1-4.5.

Зависимость величины остаточных напряжении с от диаметра заточки

Натяг Диаметр заточки стержня Б, мм Остаточные напряжения, МПа для числа стержней

М=19 М=40

1.5 4 -190 -212

1.5 6 -178 -198

1.5 8 -171 -191

1.5 10 -165 -185

1.5 12 -161 -180

1.5 14 -157 -176

1.5 16 -154 -172

4.5 4 -192 -215

4.5 6 -181 -202

4.5 8 -173 -193

4.5 10 -167 -187

4.5 12 -163 -182

4.5 14 -159 -178

4.5 16 -156 -174

Таблица 4.2

Зависимость величины остаточных напряжений с от натяга при

обработке для сплава Б95

Натяг Диаметр заточки Остаточные напряжения, МПа

стержня Б, мм для числа стержней

М=19 М=40

1.5 8 -171 -191

3,0 8 -172 -192

4,5 8 -173 -193

1.5 16 -154 -172

3,0 16 -155 -173

4,5 16 -156 -174

Таблица 4.3

Зависимость величины остаточных напряжений с от твердости материала по Брпнеллю (натяг при обработке -1.5 мм)

Диаметр заточки Твердость по Остаточные напряжения, МПа

стержня Б, мм Бринеллю для числа стержней

М=19 М=40

8 130 -171 -191

8 160 -177 -198

8 190 -182 -203

8 210 -356 -398

8 240 -364 -407

8 270 -372 -416

16 130 -154 -172

16 160 -159 -178

16 190 -164 -183

16 210 -321 -359

16 240 -328 -367

16 270 -335 -374

Таблица 4.4

Зависимость величины остаточных напряженш: с от числа стержней

М для спчава В

Диаметр заточки Число стержней Остаточные напряжения, МПа

стержня М для натяга, мм

Б, мм 1.5 4.5

8 19 -171 -173

8 30 -183 -185

8 40 -191 -193

16 19 -154 -156

16 30 -165 -167

16 40 -172 -174

Значение коэффициента ки рассчитывается по результатам эмпирических исследований. Сравнение значений остаточных напряжений для расчета величины коэффициента ки приведены в таблице 4.5. Его величина изменялась от 0,81 до 0,91. Для дальнейших расчетов принята величина к =0.85.

и

Таблица 4.5

Сравнение результатов теоретических п экспериментальных исследований

Исходные данные Теоретические значения. МПа Экспериыенталь ные данные, МПа Значение коэффициента кК

Радиус Натяг

заточки

стержня

4 1=5 -190 -156 0.S2

8 1=5 -171 -147 0.S6

10 1=5 -165 -148 0,9

12 1=5 -161 -133 0.S3

16 1=5 -154 -134 0.S7

4 4=5 212 -193 0.91

8 4=5 -191 -168 0.SS

10 4=5 -1S5 -150 0.S1

12 4=5 -ISO -14S 0.S2

16 4=5 -172 -144 0Г&4

На рисунках 4.9-4.15 представлены результаты проверки теоретической модели формирования остаточных напряжений. Сплошными линиями показаны теоретические кривые. Результаты экспериментальных исследований представлены точками и квадратами. Произведен расчет доверительных интервалов.

а МПа

[phone] -200 -225

Диаметр заточки стержня й, мм 4 6 8 10 12 14 16

1

2

Рис. 4.9 Влияние диаметра заточки стержня на величину остаточных напряжений для алюминиевого сплава В95 (натяг - 1.5 мм, число стержней:

1 - М=19 (О), 2 - М=40 (□))

а МПа

[phone] -200 -225

Диаметр заточки стержня й, мм 4 6 8 10 12 14 16

1

2

Рис. 4. 10 Влияние диаметра заточки стержня на величину остаточных напряжений для алюминиевого сплава В95 (натяг - 4.5 мм, число стержней:

1 - М=19 (О), 2 - М=40 (°))

& МПа п -310 --320 -

-330 -

-340 -

-350 -

-360 -

-370

-380 -

Рис, 4.15 Влияние твердости по Брпнеллю на величину остаточных напряжений для сталей (диаметр заточки стержня Б= 16, натяг - 1.5 мм, число стержней: 1 - М=19, 2 - М=40)

Выводы по результатам проведенных исследований:

1. При обработке ШСУ в поверхностном слое ответственных деталей формируются сжимающие остаточные напряжения, то есть решается одна из важнейших задач обработки ППД.

2. Сравнение результатов обработке ШСУ и вибрационной отделочно-упрочняющей обработке показывает, что обработка ШСУ более эффективна и позволяет значительно повысить эксплуатационные свойства обработанных деталей.

3. Незначительное расхождение результатов теоретического моделирования и их экспериментальной проверки, позволяют рекомендовать полученные модели для технологического проектирования.

4.4 Исследование процесса виброакустической динамики

Твердость по Бринеллю, НВ 200 210 220 230 240 250 260 270

—I-1-1-1-1-1-1-1-

Изменение виброакустических характеристик проводились для деталей различных конфигураций и в зависимости от длины на двух опорах или закрепленных консольно. При консольном закреплении, следует учесть

соотношение длины и диаметра ^ < 3; а также полых заготовок как

консольных, так и на двух опорах.

Прежде всего следует отметить незначительные различия в «характерах спектров» для каждого типа деталей. Поэтому для сокращения объёма экспериментальных исследований вначале проведены статистические исследования по различию в уровнях звука (дБА) на рабочих местах операторов при реализации технологического процесса ШСУ. Результаты измерений приведены на рисунке 4.17. Сплошные линии соответствуют максимальным уровням звука, а пунктирные - минимальным, штрихпунктирные линии - уровням шума холостого режима станка, т.е. включенным агрегатам (без реализации технологического процесса ШСУ).

1-, дБА

110

100

90

80

70

60

Рис. 4.17. Уровни звука при ШСУ сплошных деталей (1) на двух опорах; консольно-закрепленных деталей (2) и полых деталей (3)

2

3

1

Как видно из полученных данных уровни звука при реализации технологического процесса ШСУ различаются на 10 дБА для условий сплошных деталей на двух опорах, 8 дБА - для консольных деталей и 15 дБА

для полых деталей. Действительно у этих деталей осевой момент инерции меньше, чем у сплошных. Соотношение моментов инерции сплошных и

т>4

полых деталей составляет , где Ъ и d - наружный и внутренний

диаметры. Следовательно, пропорционально указанному соотношению уменьшается и изгибная жесткость. Уменьшение уровней звука при ШСУ консольных заготовок объясняется уменьшением площади поверхности детали, излучающую звуковую энергию.

Уровни звука холостого хода не превышают санитарных норм. При реализации технологического процесса максимальное превышение уровней звука достигает 15 дБА.

Спектральный состав шума холостого режима приведен на рисунке 4.18 [24-26].

Рис. 4.18. Спектры шума холостого хода станка: 1 - шпиндельной бабки; 2 - компрессора и шпиндельной бабки; 3 - предельный спектр

Результаты измерений показали, что включение источников излучения звуковой энергии на холостом режиме работы, к которым относятся шпиндельная бабка и компрессор, уровни звукового давления не превышают

санитарных норм. Причем, компрессор является более интенсивных источником шума.

Закономерности спектров шума изучались на примере наиболее и наименее шумной ситуациях для трех групп заготовок.

На рисунке 4.19 и 4.20 приведены результаты измерений для длинных заготовок на двух опорах и коротких заготовок с консольным закреплением. Следует отметить, что характер спектров при реализации технологического процесса ШСУ претерпевает значительные изменения в сравнении со спектрами холостого хода.

При упрочнении длинных заготовок (рис. 4.19 - а) спектр шума имеет ярко выраженный характер.

и ДБ

63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

а)

б)

Рис. 4.19 Спектры шума при ШСУ: а) коротких сплошных заготовок с использованием заднего центра, б) сплошных деталей и консольным

закреплением

Уровни шума полой заготовки приведены на рис. 4.20.

Рис, 4.20 Спектр шума при ШСУ полой заготовки: 1 - внутри заготовки;

2 - на рабочем месте; 3 - предельный спектр

Результаты измерений показали, что при высокочастотном характере спектра шума в восьмой октаве зафиксирован ярко выраженный максимум. Уровень звукового давления в этой октаве на 9 дБ выше, чем в седьмой и 4 дБ выше, чем в девятой. Для измерения спектра шума внутри полой заготовки просверливают отверстие, в котором и устанавливается микрофон. Эти данные подтвердили правильность предположения о формировании звукового излучения. Действительно, уровни звукового давления внутри заготовки на 7-8 дБ выше.

Как показано выше, что уровни звукового давления в области частот 31,5-125 Гц при реализации технологического процесса упрочнения не претерпели изменений в сравнении с холостым ходом. Формирование звукового поля на рабочих местах определяется звуковым излучением шпиндельной бабки и компрессора. Следует отметить, что в этом диапазоне частот уровни звукового давления ниже предельно-допустимых значений. Таким образом экспериментальные данные подтвердили правильность теоретических выводов, что доминирующими источниками шума, которые и создают повышение над санитарными нормами, являются акустическая подсистема «упрочняемое изделие - упрочнитель».

При реализации технологического процесса ШСУ как упрочняемое изделие, так и упрочнитель одновременно излучает звуковую энергию. Установить количественный вклад каждого источника при теоретическом исследовании не представляется возможным. Это вызывает необходимость замера уровней вибраций на заготовке, упрочнителе и шпиндельной бабке станка (рис. 4.21 и 4.22).

и дБ

90 80 70 60 50 40 30

'А---^--

63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

►1 2

Ъ Гц

Рис 4.21. Спектры вибраций: 1 - на упрочнителе; 2 - на шпиндельной бабке

Рис 4,22. Спектры вибраций на заготовке: 1 - на длинной; 2 - на короткой

Максимальные уровни вибраций на заготовках и упрочнителе в диапазоне частот, в котором превышаются санитарные нормы по уровням звукового давления, на 10-22 дБ выше, чем на корпусе шпиндельной бабки.

Поскольку в данной работе изучается процесс местного упрочнения ШСУ, то проверялась эффективность активного способа снижения шума в самом источнике. Для этого на поверхность детали не подвергаемую упрочнению устанавливались резиновые шайбы, которые одновременно

выполняют функции как частичной звукоизоляции, так и вибропоглощения. Результаты измерений на примере длинной детали приведены на рис. 4.23.

К дБ

63 250 1000 4000

Рис. 4.23. Спектры шума на примере длинной детали с установкой резиновых шайб: 1 - уровни звукового давления на рабочем месте; 2 - предельный

спектр

Результаты измерений показали, что несмотря на действительно высокую эффективность, санитарные нормы шума не достигнуты и превышение составляет 5-8 дБ. Следовательно, данный способ является нетехнологичным, так как для каждого типоразмера детали следует изготовлять индивидуальную систему шумозащиты.

Поэтому в данном случае технически целесообразно разработать универсальную систему шумозащиты, которая обеспечит выполнение санитарных норм путем звукоизоляции как упрочняемого изделия, так и упрочнителя.

3.5 Выводы по четвертой главе

1. Важным достоинством обработке ШСУ является высокая эффективность достижения благоприятной величины параметров

72

поверхностного слоя по сравнению с многими известными методами ППД в гранулированных средах.

2. При обработке ШСУ в поверхностном слое ответственных деталей формируются сжимающие остаточные напряжения, то есть решается одна из важнейших задач обработки ППД.

3. Анализ полученных результатов позволяют рекомендовать указанные в главе 2 зависимости (номера 2.3, 2.5, 2.6) для проектирования высоко эффективных технологических процессов обработки ШСУ.

4. Специальный анализ условий труда операторов при реализации местного упрочнения ШСУ деталей различных конфигураций показал, что безопасным условием реализации технологического процесса не соответствует только уровень шума.

5. Анализируя спектры шума можно сделать вывод, что, в первую очередь, это относится к высокочастотной части спектра (свыше 2000 Гц), в которой санитарные нормы составляют 73-69 дБ.

6. Идентифицированы источники шума, создающие максимальные значения превышающий над санитарными нормами, которые являются упрочняемая деталь и упрочнитель.

7. Экспериментальные исследования, приведённые в производственных условиях ПАО «Роствертол», доказали правильность теоретических исследований о физическом процессе излучения звуковой энергии рассматриваемого технологического процесса.

5. ПРАКТИЧЕСКОЕ ПРИМЕНЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ

5.1 Конструкция стенда для местного упрочнения деталей типа тел вращения в малошумном исполнении

Особенности технологического процесса местного шарико-стержневого упрочнения заключается в том, что шарико-стержневой упрочнитель имеет постоянную координату вдоль оси изделия. Это позволяет изучить два варианта снижения уровней шума. Первый вариант заключается в возможности установки вибропоглащающих элементов на поверхностях изделия, не подвергающихся воздействию упрочнителя. Такой способ снижает не только уровни вибрации обрабатываемого изделия, но и существенно уменьшает площадь поверхности, излучающей звуковую энергию. Поэтому для условий наиболее шумного технологического процесса на детали устанавливается резиновые кольца, толщина которых на сторону составила 20 мм. Корпус упрочнителя закрывается втулкой и винипластовой трубы. На рисунке 5.1 представлены результаты измерений уровней звукового давления.

О 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

—<-^1 > 3

Ь Гц

Рис. 5.1 Спектры шума при использовании демпфирующих колец: 1 - базовый вариант; 2 - с вибродемпфирующими кольцами; 3 - предельно-

допустимые уровни 74

Результаты измерений показали, что в области частот 1000-8000 Гц снижение уровней звукового давления составило 10-25 дБ. Причем расчеты показали, что снижения уровней звукового давления, обусловленного вибропоглощением в данном случае, составляет 10-14 дБ, а на эффективность в снижении шума на 25 дБ в большой степени оказывает влияние уменьшение площади звукового излучения.

Поэтому для данного технологического процесса испытан вариант снижения основанный на звукоизоляции источников шума. В данном случае на токарном станке упрочняемой детали располагается внутри стеклопластиковой трубы. В трубе предусматривается отверстие для шарико стержневого упрочнителя, также расположенного внутри трубы.

Требуемая звукоизоляция системы шумозащиты определяется исходя из соответствия санитарным нормам октавных уровней шума.

Расчетная схема системы звукоизоляции приведена на рис. 5.2.

20

У//////////////////////////////7777т

С1н

а.

Рис. 5.2 Расчетная схема звукоизоляции при ШСУ

Внутри цилиндрической оболочки симметрично расположен линейный источник шума, на котором задан закон распределения скоростей колебаний.

Поскольку источник находится внутри оболочки, направленность звукового излучения не учитывается.

Согласно расчетной схемы для определения звукового давления во внутренней полости можно записать в цилиндрических координатах:

д2Р 1 д2Р 1 д2Р д2Р 1Л1Л 5д2Р ,, • ч/с1л

-+--+--+-= 1,2 -10 "5--1,23—и1 и и „ ехр- тг) (5.1),

дг2 гъ дгъ г2 дф2 дх2 дг2 дг

гь - радиус внутренней поверхности звукозащитной оболочки, м;

<Ли - диаметр упрочняемого изделий, м; 1 и - длина изделия;

и к - скорость колебашш: пзлешш на собственных частотах, м/с; ^ у - значение фундаментальной функции для цилиндрического объема, являющейся решением уравнения:

№м + 8

А 2у

N

' N ^ ^ N

344

V N ,

(5.3)

где й_у - круговые собственные частоты колебашш: внутреннего воздушного объема цилиндрической звукоизолирующей оболочки, р/с.

Поскольку по компоновке системы шумозащиты оба торца являются жесткими стенками, то ю N определяется соотношением:

г „ \2 (

ю N = 1,1 -10:

п

I

+

V 1 J

п„ + 0,5т + 0,25

Ги

(5.4)

где пн т - целые числа, характеризующие соответствующие частоты собственных колебашш внутреннего воздушного объема, р/с; 5 Лг - коэффициент затухания звуковой волны

8 N =

172а 2(3,14пх + 1,6т + 0,8)2 - т

(5.5)

т

db (3,14пх + 1,6т + 0,8)'

Выражение среднеквадратичного уровней звукового давления определяется следующим образом:

d и О к . — ^ ю 2

Ь = 20 ^^^ +10 +10 ^ У-d '

+168 (5.6)

N (2ю N0 N ) +(ю N -ю с )

В этом случае уровни звукового давления в рабочей зоне оператора определяются по формуле

Ь = Ь - 20 ^ г - ЗИ ,

(5.7)

где ЗИ - звукоизоляция цилиндрической оболочки, дБ.

2

По данным работы [95] с учетом физико-механических характеристик материала системы снижения шума зависимость звукоизоляции приведена к следующему виду:

ЗИ = 20 ^

(^" - ^") осп 2 п+1

+20 /g

к 4 - к к и к т

2,5R

п

V R о У

+ 20^(- D4) + Ь +

(кт- к2)(кт- )-

к:

к 2 // 2 к п R о

■X ■

п 2

к2 +

т

\

-- к 2 2 к 0

где к0 = 0,02/; ^ = 5,2-10 -4/ ; кт = ™ ; к, = 6,3 • 10 -4/ 1)! п л - коэффициенты, определяющие собственные частоты

Для снижения шума необходимо обеспечить требуемую величину звукоизоляции.

В этом случае

г

п

\

к 2 + ___к :

кт + „ 2 У V R 0 У

(5.8)

Ьс = 20 %

d„ и

и^к

d>

+

10 /%/ +10 ^ X

Ю 2

-20 /%

+20 /%

'и п ( ^п - Щп)'

2,5/?п+1

2

к п2

V / 0 У

^ (2ю ^и „) + (Ю К-Ю с)

+ 20 % (я 4 - я4) + ь +

, (кт- к2)(кт- кп)-кп

+168 - 20 ^г

(5.9)

к 4

к и

к 2 /? 2 к п / 0

■X-

п2

к 2 +

п

к2 к0

кт +

п

/ 02

к2

Технически это (в свою очередь) достигается толщиной звукоизолирующей конструкции.

Результаты расчетов показали, что толщина стенки трубы должна быть равна 7-8 мм. Поэтому в экспериментальной проверке толщина стенки трубы была равной 10 мм, что и обеспечило высокий уровень звукоизоляции (рис. 5.3).

2

и дБ

О 63 125 250 500 1000 2000 4000 8000

Рис. 5.3 Спектры шума при наличии системы звукоизоляции: 1 - базовый спектр; 2 - при наличии звукоизолирующей трубы; 3 - предельно-

допустимые уровни

Этот способ хотя и является пассивным, намного более не только эффективнее в снижении шума, технологичнее и универсальнее, так как пригоден для снижения уровней шума деталей различных диаметров.

Следует отметить, что при реализации технологического процесса местного-шарико-стержневого упрочнения на базе универсальных токарно-винторезных станков невозможно выполнить санитарные нормы шума в четвертой и пятой октавах, в которых звуковое поле на рабочих местах формируется звуковым излучением шпиндельными балками. Действительно, при проверке эффективности двух вышеуказанных способов уровни звукового давления в интервале частот 31,5-500 Гц не изменились, а величины превышений составляют 5 дБ в четвертой октаве и 8 дБ - в пятой. Поскольку технологический процесс местного шарико-стержневого упрочнения интенсивно используется в различных отраслях машиностроения представляется целесообразным выполнить акустический расчет и проектирование специального стенда для широкой номенклатуры конфигураций, диаметральных размеров деталей типа тел вращения.

Конструкция специального стенда представлена на рис. 5.4 [27].

Рис. 5.4 Конструкция специального стенда местного шарико-стержневого

упрочнения

Обработкам происходит при малых оборотах шпинделя (8-12 об/мин) и как показали экспериментальные исследования, уровни вибрации несущей системы станка практически полностью определяется элементами кинематики, а не силовым воздействием со стороны упрочнителя. Поэтому станина (1) выполнена сварной из листовой стали Ст.3 толщиной 10 мм. Станина состоит из левой и правой полых труб, соединенных в единую систему столом, так же представляющего собой полый элемент П-образного сечения. Внутри левой тумбы располагается привод вращения шпинделя, состоящей из двигателя, червячного редуктора и ременной передачи со шкивами (6).

В правой тумбе устанавливается компрессор для подачи сжатого воздуха шарико-стержневому упрочнителю и пневмозажиму упрочняемого изделия, установленного на консольной части шпинделей (4) и (5). Эти шпиндели имеют в значительной степени идентичную конструкцию. Различие заключается в том, что в шпинделе правой бабки отсутствует ременная передача. Четыре подшипника скольжения (4) выполнены из

антифрикционного чугуна, полости которых заполняются консистентной смазкой.

Новые марки антифрикционного чугуна обеспечивают повышенные эксплуатационные свойства (таблица 5.1).

Таблица 5.1

Различные марки антифрикционного чугуна при различных видах нагрузки

Марка Удельное давление р Б КГ. СМ1 Окружная скорость V Е м/с РV

АСЧ-1 0,5 2* 1