Россия
УДК 621.8 Детали машин. Механизмы. Передачи (механические). Подъемнотранспортное оборудование. Крепежные средства. Смазка
В машиностроение производят крупногабаритные детали методом литья из углеродистых сталей, чугунов с наличием внутренних полостей, имеющие невысокий запас прочности без применения способов упрочнения. Например, такими деталями являются корпуса турбонасосов, редукторов, а также турбины. В самолетостроение используют крупногабаритные детали сложной пространственной формы, такие как, панели крыла, фюзеляжа, отсек шасси, работающие в условиях знакопеременных динамических нагрузок при ограничении массы и запаса прочности. Применять современные методы упрочнения таких деталей не всегда возможно из-за наличия полостей и сложности их пространственной формы поверхности. Такую проблему решают методом виброударного упрочнения (ВУ). Недостаток (ВУ) - это большие объемы инструментальной среды и высокие энергозатраты. Современные (ВУ) работают в зарезонансном режиме с жестким креплением деталей и имеют одну динамическую систему. В статье представлены результаты исследований двухмассовой динамической системы виброупрочняющей установки, в которой заложены преимущества близкорезонансных и зарезонансных режимов, которые уменьшают недостатки современных (ВУ). Первую массу составляет деталь с упругими элементами, которая работает в среде интенсивных колебаний в близко резонансном режиме. Вторую массу представляет инструментальная среда с контейнером, которая работает в зарезонансном режиме. Различные режимы работы станка создаются за счет изменения давления воздуха в пневматических резинокордных камерах (ПРК), а также за счет их поджатия. Такая компоновка опытного образца виброупрочняющей установки при испытаниях показала уменьшение затрат мощности на единицу амплитуды колебаний на 35-40 % при работе в режиме, близком к резонансу по сравнению с до- и зарезонансным областями режимов. Амплитуда колебаний фундамента изменялась незначительно.
ВИБРОУПРОЧНЯЮЩИЙ СТАНОК, ДВУХМАССОВАЯ СИСТЕМА, БЛИЗКО РЕЗОНАНСНЫЕ РЕЖИМЫ, АМПЛИТУДА КОЛЕБАНИЙ, ПНЕВМАТИЧЕСКИЕ РЕЗИНОКОРДНЫЕ КАМЕРЫ (ПРК), ЗАТРАТЫ МОЩНОСТИ
1 Состояние вопроса исследования и актуальность работы
Современное машиностроение производит крупногабаритные детали способом литья из углеродистых сталей, чугунов с наличием внутренних полостей, имеющие невысокий запас прочности без применения методов упрочнения. Например, такими деталями являются корпуса турбонасосов, редукторов, а также турбины. В самолетостроении используют крупногабаритные изделия сложной пространственной формы такие как панели крыла, фюзеляжа, отсек шасси, работающие в условиях знакопеременных динамических нагрузок при ограничении массы и запаса прочности. Повышать сопротивление усталости таких деталей пытаются еще на стадии проектирования, используя конструкторские методы. На стадии производства уже окончательно применяют упрочняющие методы термического, криогенного, химико-термического и физико-химического воздействий на поверхность деталей [1, 2]. Достоинством таких технологий являются высокие технологические возможности. К недостатку можно отнести то, что их трудно применять к поверхностям сложной пространственной формы.
Такую проблему лучше решать методом виброударного упрочнения (ВУ), который позволяет обрабатывать как внешние, так и внутренние поверхности деталей сложной формы. Применения виброударного упрочнения приводит к равномерному снижению высотных параметров шероховатости за счет рабочей инструментальной среды в виде металлических шариков, формированию в поверхностном слое сжимающих остаточных напряжений, образованию наклепа, создание мелкодисперсной структуры [3]. Существенный недостаток (ВУ) – это большие объемы инструментальной среды. В зависимости от размеров крупногабаритных деталей требуется от нескольких сотен до нескольких тонн стальных шариков. Для вибрирования такой массы нужны двигатели высокой мощности, что делает процесс энергоемким и затратным. При работе оборудования возникают высокие вибровоздействия на фундамент цехового помещения, что может снижать его несущую способность и не обеспечивает экологическую опасность. Разрабатываются новые инновационные методы (ВУ). Авторы [4] предлагают локальный метод с использованием шарико-стержневого упрочнителя для обработки зон концентраторов напряжений крупногабаритных маложестких изделий и сложной конфигурации. Модернизация методов (ВУ) направлена как для конкретных изделий [5-8], так и материалов изделий [1, 2, 9].
Из видов виброударного упрочнения в основном применяется виброупрочнение деталей «в навал» и с жестким креплением. Для деталей небольших размеров и больших партий применяется упрочнение «в навал», при этом рабочая среда и детали, которые никак не закреплены, свободно перемещаются в контейнере вибрационного станка относительно друг друга. Для повышения усталостной прочности крупногабаритных деталей используют виброударное упрочнение с жестким креплением.
Наиболее часто применяются зарезонансные режимы работы оборудования с одномассовой компоновкой и с инерционным приводом при мягкой виброизоляции. Преимущества таких конструкций состоят в передаче на фундамент и опоры сравнительно небольших динамических нагрузок и достаточно высокой стабильности [5]. Очевидный недостаток одномассовых машин ‒ низкий коэффициент усиления вынуждающей силы. Такое оборудование требует для процесса достаточно большую массу металлических шариков к массе детали в соотношении 1:15. По такому принципу работает виброупрочняющий станок ВУД-2500, конструкция которого представлена на (рис.1).
1 – основание; 2 – контейнер для металлических шариков; 3 – деталь для обработки; 4 – устройство для держания детали; 5 – опоры валов; 6 – вал дебалансный; 7 – амортизаторы пневматические;
8 – редуктор; 9 – муфта соединительная; 10 – привод
Рисунок 1 – Конструкция виброупрочняющего станка ВУД-2500
Известно, что главным преимуществом близкорезонансных режимов является меньшая энергоемкость процесса при равных амплитудах колебаний, относительно зарезонансных. Большой минус таких режимов ‒ значительные вибрационные нагрузки на основание с низкой устойчивостью режима колебаний [10, 11].
Предлагается новая двухмассовая динамическая система виброустановки, в которой заложены преимущества близко-резонансных и зарезонансных режимов. Планируется в близко-резонансном режиме обработать деталь с упругими элементами с оснасткой в среде интенсивных колебаний, при этом вибратор установлен на детали. Деталь жестко закреплена, что предоставляет первую массу. Известно, что резонансный режим характеризуется резким ростом амплитуды колебаний при той же частоте вынуждающей силы. Для нашей предлагаемой двухмассовой динамической системы это поможет уменьшить затраты энергии на единицу амплитуды колебаний и, в целом, на выбор мощности привода. Вторая масса состоит из контейнера с загруженной инструментальной средой. Она соединена с первой массой пневматическими резинокордными камерами (ПРК) и на нее воздействуют колебания с меньшей амплитудой. Режим работы второй массы реализуется за резонансным режиме. За счет такой схемы можно получить, на наш взгляд, уменьшение вибрационной нагрузки на фундамент.
2 Материалы и методы
Для доказательства работоспособности выдвинутых предположений была разработана двухмассовая система опытного виброупрочняющего устройства (рис. 2). Изготовленная экспериментальная установка представлена на (рис. 3). Согласно предположению, первая массовая система – это деталь с упругой подвеской 3 с резинокордными пневмоэлементами 5, действующими в противодавлении. Контейнер 2 с инструментальной средой и амортизаторами 7 образуют вторую массовую систему. Амплитуду колебаний системы задают изменением давления воздуха в пневматических резинокордных камерах (ПРК) 5 и их поджатием. С помощью мотор-вибратора 4 модели ЭВ-320-4 с частотой вращения 1500 мин-1 передаются вибрации на деталь.
1 – основание; 2 – контейнер; 3 – устройство для держания детали и деталь; 4 –вибратор;
5 – пневматические резинокордные камеры; 6 – приспособления для регулировки поджатия элементов; 7 – амортизаторы; 8 – компрессор; 9 – ресивер; 10 – датчик давления; 11 – резиновые шланги для
подача воздуха; 12 – прибор ВИ-6-5М12; 13 – ПК переносной; 14 – датчики для замера виброускорений; 15, 16 – манометр для контроля давления воздуха; 17 – клапан для подачи и удаления воздуха;
18 – комплект К50 для замера энергозатрат
Рисунок 2 – Предлагаемая технологическая система двухмассового опытного
виброупрочняющего устройства
Рисунок 3 – Экспериментальной образец виброупрочняющего устройства
с двухмассовой системой
Величины амплитуд вибрации системы фиксировали с помощью прибора ВИ-6-5М12, который работал с датчиками виброускорения 14. Датчики крепились на детали, контейнере, основании по координатам Х и Y (рис. 2). Персональный компьютер 13 соединялся с измерительным комплекс ВИ-6-5М12 через контроллер (рис. 4.). Для измерения амплитуды перемещения применяли осциллограф К12-20. Мощность мотор-вибратора замеряли измерительным комплектом К50.
Рисунок 4 – Комплекс ВИ-6М для замера
амплитудно-частотных характеристик экспериментальной установки
Для изменения амплитуды колебаний подвижной системы использовали изменения давления от 0,05 до 0,4 МПа на двух уровнях поджатия ПРК 5. Поджимали как верхнюю, так и нижнюю камеру (рис. 2). Первый уровень соответствовал значениям hв 
= 95 мм и hн 
= 85 мм; второй уровень – hв 
= 78 мм и hн = 67 мм. Первая масса системы – деталь с вибратором m1 имеет массу 15,25 кг. Вторая масса системы – контейнер с шариками m2 имеет массу 54,3 кг. Масса металлических шариков m0 –30 кг. Шарики выполнены из материала ШХ15 с диаметром 4 мм.
3 Результаты исследований
Рисунок 5 – Зависимость амплитуды перемещения А детали, контейнера, основания
от давления P при поджатии ПРК hв = 95 мм, hн = 85 мм.
Рисунок 6 – Зависимость амплитуды перемещения А детали, контейнера, основания
от давления P при поджатии ПРК hв = 78 мм и hн = 67 мм
Рисунок 7 – Затраты удельной мощности на единицу амплитуды
при различных режимах установки
4 Обсуждение и заключение
Можно заметить, что наступление резонансного режима предлагаемой системы зависит от степени поджатия пневмоупругих элементов и давления. Увеличение степени поджатия пневмоупругих элементов (рис. 6) создает резонансный режим уже при давлении 0,2 МПа при поджатии ПРК hв = 78 мм и hн = 67 мм по сравнению 0,25 МПа при поджатии ПРК hв = 95 мм, hн = 85 мм на графике (рис. 5). Это можно объяснить тем, что при увеличении степени поджатия пневмоупругих элементов система становится жестче и переходит как бы из двухмассовой в одномассовую. При этом будут теряться ее преимущества. Такая предложенная двухмассовая система виброупрочняющего станка, работающая в близко-резонансном режиме, как видно из графических зависимостей, может регулировать амплитуду колебаний детали от 5 мм при давлении 0,25 МПа до 3,5 мм при давлении 0,2 МПа за счет степени поджатия ПРК и давления воздуха в них. Это позволит обрабатывать детали с различными свойствами материалов при помощи определенного режима работы устройства и расширить их ассортимент.
Работа установки в близко резонансном режиме, согласно (рис.7) показывает, что удельная мощность, затрачиваемая на единицу амплитуды колебаний, на 35-40 % меньше, чем в до- и зарезонансной области. Эти данные подтвердили ранее выдвинутые предположения о том, что близко-резонансный режим имеет более высокие значения амплитуды колебаний при меньших затратах мощности для ведения такого режима, амплитуда колебаний фундамента из-за воздействия основания изменяется незначительно.
На основании проведенных исследований можно сделать следующие выводы.
1. В предлагаемой двухмассовой динамической системе виброупрочняющей установки заложены преимущества близко-резонансных и зарезонансных режимов.
2. В близкорезонансном режиме работает только деталь с упругими элементами с оснасткой в среде интенсивных колебаний. Вторая масса состоит из контейнера с загруженной инструментальной средой. Она соединена с первой массой пневматическими резинокордными камерами (ПРК) и на нее воздействуют колебания с меньшей амплитудой.
3. Предложенная двухмассовая система виброупрочняющего станка может регулировать амплитуду колебаний детали от 5 мм при давлении 0,25 МПа до 3,5 мм при давлении 0,2 МПа за счет степени поджатия ПРК и давления воздуха в них. Это позволит обрабатывать детали с различными свойствами материалов при помощи определенного режима работы устройства и расширить их ассортимент. Амплитуда колебаний фундамента из-за воздействия основания изменяется незначительно.
4. Работа установки в близкорезонансном режиме показывает, что удельная мощность, затрачиваемая на единицу амплитуды колебаний на 35-40 % меньше, чем в до- и зарезонансной области.
5. Результаты исследований могут быть использованы для технологий виброударного упрочнения в машиностроении и для модернизации сопутствующего оборудования.
1. Чудина, О.В. Повышение эффективности поверхностного упрочнения конструкцион-ных сталей закалкой ТВЧ и ультразвуковой обработкой / О.В.Чудина, Д.С. Симонов, Т.С. Симо-нова, А.Н. Литовченко // Упрочняющие технологии и покрытия. – 2023. – Т. 19. № 9 (225). – С. 427-431.
2. Чудина, О.В. Химико-термическая обработка деталей, полученных селективным ла-зерным плавлением / О.В. Чудина, В.А. Зорин, А.А. Брежнев, П. Брингулис, Д.С. Симонов // Сварочное производство. –2022. – № 5. – С. 35-40.
3. Крупский, Р. Ф. Удаление следов контактно осаждённого железа с поверхности заго-товок из титановых сплавов при вибрационной ударной обработке / Р. Ф. Крупский, В. В. Алту-хова // Передовые инновационные разработки. Перспективы и опыт использования, проблемы внедрения в производство: Сборник научных статей по итогам восьмой международной науч-ной конференции, Казань, 30 сентября 2019 года. – Казань: Общество с ограниченной ответ-ственностью "КОНВЕРТ", 2019. – С. 12-15. – EDN ZKBVZJ.3. – DOIhttps://doi.org/10.15593/perm.mech/2020.2.10. – EDN BQZNET.N WZIHIM.
4. Тамаркин, М.А. Разработка методики проектирования технологического процесса об-работки шарико-стержневым упрочнителем с учетом формирования сжимающих остаточных напряжений / М.А. Тамаркин, Э. Э.Тищенко, С. А. Новокрещенов, С. А. Морозов // Вестник Дон-ского государственного технического университета. – 2020. – Т. 20, № 2. – С. 143-149. – DOIhttps://doi.org/10.23947/1992-5980-2020-20-2-143-149. – EDN WIVYLO.
5. Радченко, В. П. Метод реконструкции остаточных напряжений и пластических дефор-маций в тонкостенных трубопроводах в состоянии поставки и после двухстороннего вибро-ударного поверхностного упрочнения дробью / В. П. Радченко, В. Ф. Павлов, Т. И. Бербасова, М. Н. Саушкин // Вестник Пермского национального исследовательского политехнического университета. Механика. – 2020. – № 2. – С. 123-13
6. Лебедев, В. А. Технологические особенности упрочнения коленчатых валов вибро-ударным методом / В. А.Лебедев, Ф. А. Пастухов, М. М. Чаава, Г. В. Серга // Advanced Engineering Research (Rostov-on-Don). – 2020. – Т. 20, № 4. – С. 390-396. – DOIhttps://doi.org/10.23947/2687-1653-2020-20-4-390-39.
7. Нефедов, А. С. Применение виброударной обработки при восстановлении высоко-нагруженных пружин сжатия / А. С. Нефедов // Актуальные проблемы инженерных наук : Ма-териалы VII-й (64) ежегодной научно-практической конференции преподавателей, студентов и молодых ученых Северо-Кавказского федерального университета «Университетская наука-региону», Ставрополь, 03–29 апреля 2019 года. – Ставрополь: Издательский дом "Тэсэра", 2019. – С. 269-271. – EDN JNQQTX.
8. Сухочев, Г. А., Грымзин А. Ю., Подгорнов С. Н. Применение комбинированной обра-ботки для увеличения показателей качества лопаточных деталей / Г. А. Сухочев , А. Ю. Грым-зин, С. Н. Подгорнов // Научная опора Воронежской области : Сборник трудов победителей конкурса научно-исследовательских работ студентов и аспирантов ВГТУ по приоритетным направлениям развития науки и технологий. – Воронеж : Воронежский государственный техни-ческий университет, 2021. – С. 167-170. – EDN RRQINV.
9. Прокопец, Г. А. Особенности подхода к назначению параметров виброударной обра-ботки инструментальных сталей на примере стали марки У12 / Г. А. Прокопец, А. С. Кочетова, А. В. Папко, А. В. Мураев // Фундаментальные основы физики, химии и механики наукоёмких технологических систем формообразования и сборки изделий : Сборник трудов научного сим-позиума технологов-машиностроителей, Ростов-на-Дону, 22–26 сентября 2021 года. – Ростов-на-Дону: Донской государственный технический университет, 2021. – С. 58-61. – EDN EZAAZP.
10. Елисеев, В.А. Особенности упругих взаимодействий элементов вибрационных техно-логических машин с учетом неудерживающих связей: расчетные схемы, математические моде-ли, приложения / В.А. Елисеев, А.С. Миронов //Современные проблемы теории машин.–2024.– №17.– С.74-79.
11. Семенченко, И.Ю. Выведение поправочного коэффициента для расчета установив-шейся шероховатости при вибрационной упрочняющей обработке с высокими амплитудами/ И.Ю. Семенченко, В.Б. Васильев, А.А. Мордовцев //Упрочняющие технологии и покрытия. .– 2020.– №4. – С.168-171.
