Глава 2. КОНСТРУКТИВНО-ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ И ДИНАМИЧЕСКИЕ ПАРАМЕТРЫ ОБРАБОТКИ МНОГОКОНТАКТНЫМ ВИБРОУДАРНЫМ ИНСТРУМЕНТОМ
2.1. Технологические схемы обработки
многоконтактным виброударным инструментом
Характерным представителем группы методов обработки многоконтактным виброударным инструментом (МКВиУИ) можно назвать обработку шарико-стержневым упрочнителем (ШСУ). На рис.2.1 представлена схема этого процесса. Обработка осуществляется инструментом, состоящим из корпуса 3, в котором размещены пучок стержней 2 и стальные шары 1. Последние плотно прижаты к стержням поршнем 5 с помощью пружины 6. Гайка 4 является замыкающим элементом этой системы, направляющей штока поршня 5 и упором пружины 6. В рабочем состоянии стержни прижаты к обрабатываемой поверхности.
Конструкция инструмента обеспечивает обработку широкого спектра форм и размеров поверхностей и может последовательно обрабатывать отдельные участки детали. Принцип действия основан на прямой передаче ударного импульса к поршню 5 и далее, через среду стальных шаров на упрочняющие стержни (инденторы) и поверхностный слой детали. Ударник, среда шаров и инденторы размещены в корпусе 3. Инструмент снабжен зажимным устройством для удержания от выпадания пакета инденторов в нерабочем состоянии. В качестве источника ударных импульсов используются пневматические, гидравлические или механические ударники (возможно применение и электромагнитных виброударных устройств). и далее...
2.2. Принципиальная схема и конструктивные особенности многоконтактных виброударных инструментов
(на примере ШСУ)
В ряду многоконтактных виброударных инструментов для упрочняющей обработки ШСУ стоит между инструментом для чеканки и виброударной обработкой в уплотненной среде. Принципиальной особенностью ШСУ является наличие в конструкции гибкой связи между источником ударных импульсов и деформирующим элементом, позволяющей расширить технологические возможности обработки по сравнению с чеканкой, сохранив при этом достаточно высокий к.п.д. передачи энергии единичного удара на уровне величины, обеспечивающей формирование пластического отпечатка.
Конструкция ШСУ состоит из двух узлов: источника ударных импульсов и самого упрочнителя. В качестве источника ударных импульсов могут быть использованы стандартные пневмо- и электромагнитные ударники, а также специальные виброударные устройства. В существующих конструкциях в качестве источников ударных импульсов используют клепальные пневмомолотки различных типов.
Пневматические ударные инструменты, к которым относятся клепальные молотки, обычно построены по схеме, приведенной на рис.2.16. Согласно приведенной схеме, рассмотрим работу пневмомолотка типа КПМ. При нажатии на курковый клапан сжатый воздух из магистрали поступает через каналы бойка К1 в камеру расширения, заставляя боек перемещаться влево и при этом перекрывать доступ воздуха. Набравший скорость боек, преодолевая сопротивление пружины, доходит каналами К2 до окон Ок, тем самым сбрасывая до нуля давление воздуха в камере расширения.
В этом же положении боек наносит удар (в случае ШСУ - по ударнику или шарам). После отскока боек движется вправо, открывая в определенном положении доступ сжатого воздуха. Таким образом, весь период боек движется под действием силы упругости пружины, относительно меньшую часть периода - под добавочным действием давления сжатого воздуха и пренебрежимо мало - под действием силы соударения. Исследования показали, что единственная область частот устойчивого движения соответствует частотам ударных импульсов, несколько большим собственной частоты колебаний ударника на упругом элементе. При этом в области частот устойчивого движения можно считать систему возбуждаемой гармонической внешней силой [40].и далее...
2.3. Динамические параметры процесса
2.3.1. Моделирование ударного импульса
в системе шарико-стержневого упрочнителя (ШСУ)
Шарико-стержневой упрочнитель (ШСУ) является характерным представителем рассматриваемых в работе конструкций многоконтактных виброударных инструментов. Он состоит из нескольких конструктивно оформленных частей, различающихся по форме прохождения и степени диссипации энергии ударного импульса не только внутри конструктивно оформленных частей, но и на границе между ними. Поэтому целесообразно моделирование системы ШСУ разделить на несколько этапов.
В конструкции ШСУ ударное нагружение передается от ударника через боек, далее через замкнутый объем стальных шаров и через упаковку стальных стержней на обрабатываемую поверхность.
Принято считать, что гранулированные среды (в данном случае стальные шары) по своим механическим свойствам занимают промежуточное состояние между твердыми телами и жидкостью [113]. Способность одних тел перемещаться относительно других делает их похожими на жидкость. Вместе с тем каждая частица сыпучей среды, взятая отдельно, обладает всеми свойствами твердого тела.
Наряду со сходствами, гранулированные среды в значительной степени отличаются и от твердых тел, и от жидкостей. Сдвиг таких сред обязательно сопровождается увеличением в объеме, чего не наблюдается при деформациях сдвига в твердых телах и жидкостях. В отличие от твердых тел гранулированные среды не воспринимают растягивающих усилий.
Опыты по деформированию замкнутого объема хаотично упакованных стальных шаров демонстрируют его нелинейно-упругое поведение. Сжимаемость, обусловленная при малых напряжениях взаимным проскальзыванием частиц и заполнением вакансий, с ростом напряжений определяется уже упругими деформациями самих частиц [135, 136].
Под действием сжимающих напряжений гранулированная среда за счет взаимного проскальзывания частиц и заполнения вакансий деформируется до некоторой предельной величины, зависящей от размера частиц и, в определенной степени, формы ограничивающей поверхности. Причем по мере приближения деформации к этой предельной величине, соответствующей началу деформации самих частиц, напряжения резко возрастают.
Прохождение ударного импульса по уплотненной среде стальных шаров сопровождается диссипацией энергии. Потери энергии при этом обусловлены целым рядом факторов, в том числе вязким и сухим трением между шарами, их упругими деформациями в месте контакта, тепловыми потерями и т.д.
Дополнительно к внутренней диссипации в среде существенную роль играет сухое трение частиц об ограничивающие стенки. При этом величина силы трения, приложенной со стороны стенок к объему гранул, пропорциональна напряжению в этом объеме.
При моделировании (а в дальнейшем конструировании) ШСУ необходимо учитывать эти энергетические потери. Наибольшая диссипация энергии происходит именно в механическом волноводе. Поэтому целесообразно предварительно построить модель распространения ударного импульса в механическом волноводе в виде сыпучей среды, состоящей из стальных закаленных шаров.и далее...
2.3.2. Экспериментальные исследования распространения
ударного импульса в замкнутом объеме стальных тел
На характер протекания процесса многоконтактной виброударной обработки (МКВиУО) и ее результаты значительное влияние оказывают особенности распространения ударного импульса в среде жестких гранулированных тел (например, стальных шаров, роликов стержней и т.д.). Для рассматриваемых в работе технологических схем характерны следующие условия:
поверхность нагружения свободная (открытая);
уплотненная гранулированная среда помещена в замкнутом объеме;
распространение ударного импульса в системе ШСУ.
Теоретический прогноз результатов виброударного воздействия на обрабатываемую поверхность или поведение среды при таком нагружении затруднительны. Вследствие этого представляет интерес экспериментальное исследование распространения ударного импульса в упомянутых условиях.и далее...