Разработка методики исследования вибраций и ударных взаимодействий

Размещено на http://www.allbest.ru/

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. ВИБРАЦИИ И УДАРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ В ПРОЦЕССЕ РЕЗАНИЯ

1.1 Вибрации в процессе резания

1.2 Методы и аппаратура для исследования вибраций

1.2.1 Механический метод

1.2.2 Пьезоэлектрический метод

1.2.3 Емкостный метод

1.2.4 Омическое сопротивление

1.2.5 Электроиндуктивный метод

1.2.6 Электромагнитный метод

1.2.7 Бесконтактные методы

1.3 Вибрация, ее измерение и анализ

1.4 Корреляционная зависимость между параметрами колебаний и величиной износа режущего инструмента

1.5 Методы уменьшения вибраций

2. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Разработка методики исследования вибраций и ударных взаимодействий

2.1.1 Единицы измерения вибраций и требования к приборам

2.1.2 Оборудование, инструмент, аппаратура, принадлежности и виброгасители, применяемые для исследования

2.1.3 Методика исследования вибраций

2.1.4 Методика исследования ударных взаимодействий

2.2 Результаты исследований

2.2.1 Зависимость амплитуды колебаний от величины скорости резания

2.2.2 Зависимость амплитуды колебаний от величины подачи S

2.2.3 Зависимость силы удара от величины подачи S

2.3 Анализ результатов и выводы

3. КОНСТРУКТОРСКАЯ ЧАСТЬ

3.1 Разработка конструкций виброгасящих устройств

3.1.1 Конструкция антивибрационного расточного инструмента со встроенным демпфером

3.2 Конструкторские расчёты

3.3 Конструкции виброгасителей, применявшиеся для исследований

4. ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

4.1 Технологический процесс изготовления “Хвостовик”

4.1.1 Описание, назначение и характеристика изделия

4.1.2 Технологический контроль чертежа детали

4.1.3 Анализ технологичности конструкции детали

4.1.4 Выбор метода изготовления и формы заготовки

4.1.5 Выбор плана обработка детали

4.1.6 Расчет припусков на механическую обработку

4.1.7 Выбор типа производства и формы организации

4.1.8 Выбор оборудования

4.1.9 Выбор режущих инструментов

4.1.10 Выбор инструментальных приспособлений

4.1.11 Выбор станочных приспособлений

4.1.12 Выбор средств измерения и контроля размеров

4.1.13 Расчет режимов резания

4.1.14 Расчет технической нормы времени

4.1.15 Программа ЧПУ для сверлильного станка

4.2 Технология сборки антивибрационного устройства

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ



ВВЕДЕНИЕ

Современный мир, современная жизнь в развитых и развивающихся странах не представляются возможными без всесторонне развитого легкого, среднего и тяжелого машиностроения. Машиностроение в целом - важнейшая отрасль в мировых экономике и хозяйстве. Если ее не будет - не будет ничего. вибрация колебание износ режущий

Уровень жизни в какой-либо стране зависит от наличия и объема следующих двух составляющих:

- природные ресурсы на территории этой страны

(золотовалютный запас и полезные ископаемые - нефть, газ, металлические руды, драгоценные камни и металлы и пр.);

- валовый внутренний продукт (ВВП).

Это показатель, характеризующий способность страны грамотно, продуктивно и экономично использовать свои природные ресурсы для производства.

При совместном существовании на планете все страны как отдельные, независимые друг от друга, лица, постоянно взаимодействуют. Время от времени, кому-то приходится брать в долг, а кому-то давать в кредит. На этом фоне только та страна будет чувствовать себя на коне, у которой хорошо развиты оба вышеперечисленных фактора (природные ресурсы и ВВП).

Но любой грамотный экономист скажет, что какими бы большими не были природные запасы страны, нельзя существовать только на них. Государство все равно должно стимулировать развитие валового внутреннего продукта, т.е. производства. Цены на природные ресурсы и различную производимую продукцию на сегодняшний день таковы, что можно просто продать 1 единицу природного ресурса за 2 денежные единицы, а можно затратить эту единицу на производство 1 единицы продукции и выручить от ее реализации 10 денежных единиц, - отсюда, и прямая экономия природных ресурсов, и резкое увеличение прибыли как таковой. По преобладанию второго фактора уровня жизни (ВВП) над первым (природные ресурсы) можно судить об экономике страны.

Цель выпускной квалификационной работы - внести свою небольшую лепту по поводу того, как можно улучшить, оптимизировать, ускорить, а значит, возможно, и стимулировать производство как таковое.

При резании металлов часто возникают колебания системы СПИД, называемые вибрациями, которые увеличивают износ инструмента (особенно из хрупких инструментальных материалов), ухудшают качество обработанной поверхности и ускоряют износ станков. Вибрации могут привести к снижению производительности, так как в целях их уменьшения приходится работать с заниженными режимами резания.

Получение информации о параметрах движения и вибрации при эксплуатации промышленного оборудования, приборов и всевозможных динамических объектов, представляет собой первоочередную задачу при оценке качества и надежности работы, как отдельных узлов, так и всех установок в целом.

Именно в этом заключается цель данной выпускной квалификационной работы. Исследование вибраций позволит выявить влияние колебаний на процесс механической обработки, установить закономерности их возникновения при различных режимах резания. Также это позволит найти эффективные и рациональные методы гашения вибраций, сделать процесс резания более стабильным, увеличить устойчивость всей системы СПИД, что повысит качество обрабатываемой поверхности, а, следовательно, скажется на качестве изготовляемых деталей.



1. ЛИТЕРАТУРНЫЙ ОБЗОР. ВИБРАЦИИ И УДАРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ В ПРОЦЕССЕ РЕЗАНИЯ

1.1 Вибрации в процессе резания

Обязательным условием получения высокой точности и низкой шероховатости обработанной поверхности при применении высокопроизводительных режимов является устойчивость движения при резании. Для этого технологическая система СПИД должна быть виброустойчивой и не допускать существенных колебаний. Наблюдения показали, что в зависимости от условий работы возбужденные колебания детали и инструмента могут быть низкочастотными или высокочастотными; и возникают они одновременно или независимо друг от друга. Как правило, низкочастотные колебания имеет деталь, а высокочастотные -- инструмент. Ухудшая качество обработки, возбужденные колебания определенной амплитуды и частоты могут одновременно снизить стойкость инструмента.

Согласно [1], при всех известных видах обработки наблюдаются два вида колебаний: вынужденные и самовозбуждающиеся. Возникают из-за периодичности воздействия возмущающей мощи. Они имеют все шансы появиться из-за: 1) прерывистого нрава движения резания; 2) дисбаланса крутящихся элементов станка, детали и прибора; 3) недостатков в механизмах станка (в зубчатых и ременчатых передачах, гидросистеме и т. п.); 4) неравномерности припуска, брошенного в обрабатывание; 5) передачи колебаний станку с иных трудящихся станков либо машин, пребывающих рядом.

Устранение принужденных сомнений никак не принимает базисных проблем, так как при устранении обнаруженного источника колебаний вибрации прекращаются. Самовозбуждающиеся колебания или автоколебания возникают при отсутствии видимых внешних причин. К ним относятся такие, у которых переменная сила, поддерживающая колебательный процесс, создается и управляется самими колебаниями. При устранении колебаний исчезает и сила, возбуждающая и регулирующая колебания.

Согласно [2], присутствие изысканий автоколебаний применяется модель технологической концепции, показана на рисунке 1.1.

В данной модификации модель оценивают равно как совершенно твердое тело, имеющее равномерное поворотное перемещение. Полный автоколебательный ход сопряжен только лишь с перемещением резца. Изобилие m качающейся концепции оценивают внимательной на вершине резца. Тугие взаимосвязи схематически презентованы в варианте пружин, в которых подвешена масса. Пружины ориентированы согласно основным осям.

В ходе деятельность резец, производный тот или иной-или фактором с капиталом баланса, начинает меняться в 2-ух направленностях. Его высшая ступень передвигается относительно заготовки согласно закрытой линии движения, схожей к эллипсу (рисунок 1.2, а). Присутствие перемещении резца в направлении воздействия мощи с места 1 к месту 4 углубленность резания, а таким образом, и сила резания станут более, нежели присутствие перемещении резца в течении обратном действию силы. На рисунке 1.2, б показаны перемещения вершины резца, вызываемые изменениями силы резания.

Рисунок 1.1 - Модель с упругими связями в механической системе



Рисунок 1.2 - Траектория перемещения вершины резца (а) и изменение силы резания за один цикл колебаний (б).

Движения вершины резца, рассматриваемой модели описывается системой уравнений (1.1):

mZ"+h_zZ'+C_zZ+C_zyY=Pcosб (1.1)

mY"+h_yY'+С_yY+C_yzZ= -Psinб

где m - масса колеблющейся системы, приведенной к вершине резца;

h_y и h_z - коэффициенты, учитывающие силы сопротивления;

C_y, С_z - коэффициенты жесткости, показывающие отношения сил, приложенных к массе, к порождаемым ими перемещениям;

C_yz, C_zy - коэффициенты дополнительных упругих связей, налагаемых на массу и препятствующих ее смещению по другой оси координат по принципу взаимозаменяемости,

C_yz = C_zy; P - сила резания;

б - угол между направлением силы резания и осью Z.

Решая данное уравнение, возможно получение параметров, определяющих ход (движение) резца в процессе вибраций. Данное перемещение представляет собой совокупность двух колебательных движений, cдвинутых по фазe в направлении осей Y и Z формула (1.2):



Y=A_ysin (1.2)

Z=A_z(sin - ц),

где A_y, A_z - амплитуда перемещений по осям Y и Z;

ю - частота колебаний;

ц - сдвиг фаз колебаний по разным осям.

Есть несколько причин возникновения колебаний:

1.1 Колебания появляются в взаимосвязи с непостоянством силы резания вследствие изменения мощи несогласие стружки согласно передней плоскости разрезающего прибора и трения заготовки согласно задней плоскости прибора. Эта предположение способно являться подтверждением моделирования ( рисунок 1.3) в коем подпружиненный груз пребывает в движении в 1 течении ленте и делает присутствие данном раскачивание.

Рисунок 1.3 - Модель возникновения автоколебаний из-за непостоянства сил трения

2. В соответствии с трудам А.П. Соколовского и И.С. Амосова автоколебания поддерживаются из-за результат разницы деятельность резания, производимой резцом присутствие его врезании и отталкивании. С опытных изучений определено, то что в условиях колебательного движения присутствие снятии равной толщины среза мощи резания присутствие врезании резца менее, нежели присутствие его отталкивании. Это объясняется тем, что при врезании резец в процессе углубления в металл встречает «свежие», недеформированные и неупрочненные слои, при движении резец снимает упрочненные слои материала и это приводит к повышению сил резания.

3. Автоколебания могут поддерживаться внешней возбуждающей силой при обработке поверхностей, имеющих волны, возникшие при предшествующей обработке с вибрациями. Поскольку при этом толщина срезаемого слоя непрерывно изменяется, то в свою очередь соответственно изменяется усилие резания, что поддерживает вибрации.

В соответствии с [1], присутствие резании возбудителем автоколебаний считается разноплановая влияние резания присутствие врезании лезвий прибора в элемент и отталкивании её. Присутствие в концепции инструмент-деталь самовозбуждения спроста образовавшееся небольшое сомнение увеличивается вплоть до определенной воцарившейся величины с амплитудой, присутствие каковой настает баланс среди энергией, опорной раскачивания, и энергией рассеивания. Опытные изучения пульсаций, проложенные А. И. Кашириным, А. П. Соколовским, Л. К. Кучмой и др., выявили, то что колебание сомнений никак не находится в зависимости буква с порядка резания, буква с геометральных характеристик прибора, а обусловливается строгостью и весом системы СПИД, вырастая присутствие повышении жесткости и сокращении народ. В таком случае ведь период отклонение сомнений в различие с частоты находится в зависимости никак не только лишь с народ и жесткости осциллирующей концепции, однако и с семейства использованного материала возделываемой элемента, геометральных характеристик прибора и порядка резания. Стабильность частоты и неустойчивость амплитуды сомнений присутствие изменении обстоятельств резания говорят о автоколебательной натуре вибраций.

1.2 Методы и аппаратура для исследования вибраций

При разработке и использовании любых технологических процессов, в какой-то мере связанных с вибрациями, одно из основных решений отводится на подбор метода измерения установленной частоты, амплитуды и интенсивности. В какой степени рационально будет разрешена эта проблема, в огромной степени будет зависеть технологическая эффективность разработки и итоги внедрения того или другого технологического процесса.

1.2.1 Механический метод

Согласно [3], для определения вибраций этим методом используется механический виброграф ВР-1 (рисунок 1.8) рассчитан с целью получения основных характеристик вибраций: частоты и амплитуды. Его плюсы заключаются в том, что он позволяет быстро произвести замеры колебаний любой машины, поскольку является малогабаритным и автономным, то есть не требующим длительной установки и отладки дорогостоящей и сложной аппаратуры для исследований.

Рисунок 1.8 - Устройство вибрографа ВР-1: 1 - ручка пуска; 2 ручка завода пружины; 3 - кулачок; 4 - контакт; 5 - крышка батареи; 6 - ручка включения отсчета времени; 7, 8 - гнездо для подключения источника из внешнего; 9 - регулятор; 10 - реле электрическое; 11 - реле электрическое; 12 - механизм крепления; 13 - катушка с лентой; 14 - регулятор пружины и винт крепежа контактного щупа; 15 - двухплечий рычаг; 16 - регулирование силы прижима пера рычагом; 17 - отметчик времени в виде пера; 18 - корпус щупа с направляющей втулкой; 19 -контактирующий щуп.



Структура вибрографа - рычажный механизм, ленточнопротяжный система и контролер времени. Рычажный механизм-контактный стержень (щуп) 19, какой сообщает осциллирующее перемещение (приобретенное с измеряемого предмета) в небольшое участок рычага-пера 15. (Возвращение щупа в начальное положение осуществляется пружиной, расположенной в направляющей трубке 18 и прикрепленной одним концом к втулке винтами 14). Ролики лентопротяжного механизма приводятся в движение пружинным приводом с центробежным регулятором. Рычаг 16 при повороте (и отпущенном винте) регулирует силу прижима пера к бумаге 9. Остановка и пуск производится ручкой 1. Завод пружинного механизма производится ручкой 2.

При воздействии на ручку 1 силы, восковая лента протягивается с катушки 1З (со скоростью около 40 мм/мин) над столиком под пером и пропускается из прибора через окно в корпусе. Отметчик времени производит отметки времени по краю бумаги с интервалом в 1 сек. (посредством электрического реле 11 и якоря с пером 17). Реле срабатывает при замыкании кулачком 3 контактов 4 (кулачок получает вращение от лентопротяжного механизма). Контакты 4 записываются от батареи 5 при повороте рукоятки 6. ( Штепсельные гнезда 7 и 8 служат для подключения внешнего источника питания, заменяющего батареи 5). При измерении вибраций вращающихся деталей (для предохранения щупа от силы трения) на трубку 18 надевается насадка с плоской пружиной, в которую упирается щуп 19. В корпусе механизм вибрографа закрепляется винтами 12.

1.2.2 Пьезоэлектрический метод

В основе этого метода лежит пъезоэлeктрический эффeкт. Суть его заключается в том, то что присутствие конкретных видах кристаллографической симметрии в результате формирования кристалла появляется непосредственный пъезоэлeктрический эффeкт, если в гранях кристалла возникают гальванические спиртное, соразмерные величине деструкции.

Имеет роль и противоположный электрический результат, состоящий в этом, то что в кристаллах, размещённых в гальваническое область, появляются внутренние усилия, пропорциональные напряженности степь, присутствие данном около воздействием электро зарядов деформируется (меняются масштабы) кристалл. Под влиянием наружной силы кристальная решетка меняет собственное состояние. Деформированная решетка, возбуждаемая механическим усилием, приводит к перераспределению электро зарядов. Но никак не присутствие каждом месторасположении диполей в кристалле процесс машинной силы приводит к деструкции, если меняется трехдипольный период, в таком случае имеется дистанция среди средоточиями серьезности разноименных зарядов. Это возможно только лишь при присутствии противоположных направлений, которые существуют у кристаллов, никак не имеющих центра симметрии.

Пьезоэлектрическими особенностями владеют сегнетова сульфат, хлориды натрия, виннокислый элемент и др. Более обширное использование приобрел полупроводник (диоксид кремния SiO2). Кристаллик кварца предполагает собою шестигранную призму, к каковой поверх и внизу прилегают шестигранные пирамиды. У кристалла один неполярная линия симметрии Z (зрительная) и 3 противоположных оси Х1, Х2, Х3 (гальванические). Любая с их объединяет обратные, однако никак не равносильные ребра шестигранной призмы.

При анализе модели структуры ячейки двуокиси кремния (рисунок 1.10, а) возможно отследить процесс появления пьезоэлектрического эффекта. При присутствии внешней силы в направлении электрической оси Х ячейка приобретает вид, показанный на рисунке 1.10,б. В последствии этого на одной поверхности возникает положительный заряд, на другой - негативный (пьезоэлектрический эффект). При подводе противоположного заряда (рисунок 1.10, в) прослеживается растяжение или сжатие ячейки (противоположный пьезоэлектрический эффект).

На рисунке 1.11 показаны схемы пьезоэлектрических акселерометров. Согласно [5], в этих датчиках сейсмическая масса установлена на пьезоэлементе, создающем электрический заряд, пропорциональный восстанавливающей силе и как следствие перемещению сейсмической массы. Этот узел сделал вместе с жестким основанием, а весь блок полностью заключен в герметичный корпус.

Рисунок 1.10 - Схема принципиальная двуокиси кремния: а - нейтральное состояние ячейки; б - прямой пьезоэлектрический эффект; в - обратный пьезоэлектрический эффект.

Характерные черты данных измерителей такие: а) довольно большая резонансная колебание, поскольку присутствие труде в сокращение возлюбленная отвечает весьма огромный жесткости пьезоэлектрического компонента (модулю сжатия); б) значительная надежность; в) чувствительность к усилиям, образующимся в основе (её необходимо снижать, используя массивное основание, автоматически изолированное с пьезокристалла: приданием основанию соответствующей фигуры -- рисунок 1.11, а, применением схемы с обратным расположением кристалла -- рисунок 1.11, в); г) восприимчивость к пироэлектрическим результатам, то что требует применения денег компенсации либо обособленности в негативных обстоятельствах эксплуатации датчика (замера в весьма невысоких частотах, присутствие неустойчивых температурах).

Как правило требуется определять форсирования в двух направленностях по измерительной оси. Так как машинные усилия пьезоэлектрического использованного материала и необходимых средств крепления (суперклей и т. п.) разнообразны в связи с нрава приложенных нагрузок (сокращение, растягивание, сдвиг), зачастую случается важным предоставление защиты чувствительного компонента с автоматических нагрузок, для того чтобы приобрести необходимый диапазон измерений форсирования в 2-ух направленностях. Данное реализуется разными методами, в зависимости с нрава деятельность использованного материала измерителя (растягивание -- сокращение» излом, тангенциальные перегрузки).

Рисунок 1.11 - акселерометры пъезоэлектрические, сжатие в осевом направлении: а - затяжка гайкой; б, в - поджатие с помощью пружины:

1 - кожух; 2 - гайка; 3 - маccа; 4 - пьезоэлектрический элемент; 5 - основание; 6 - пружина; 7 - пьезоэлектрические компоненты.

1.2.3 Емкостный метод

Построенные на основе данного способа конденсаторные динамометры отличаются простотой системы. Сила, функционирующая на конденсатор гальванического контура, изменяет его вместимость. Данное перемена емкости реорганизуется в изменении силы тока с помощью частотного прибора. На рисунке 1.12 представлены две формы конденсаторов -- пластинчатого и цилиндрического. В первом случае изменяется расстояние д между пластинами, во втором -- величина площадей S.

Присутствие измерении мощи резания, если необходимо небольшое сдвиг прибора, целесообразнее использовать крупнопластинчатый холодильник, таким образом равно как его восприимчивость больше, чем у трубчатого. Восприимчивость конечного способен являться повышена последовательным механическим соединением нескольких цилиндров.

Динамометры емкостные почти безинерционны. Присутствие довольно большой жесткости измерителя и его опор возможно достичь крайне значительной собственной частоты колебаний (10 тысяч Гц). Значимым минусом ёмкостных динамометров является сложность высокочастотного устройства, что затрудняет их обслуживание.

Рисунок 1.12 - Схемы пластинчатого и цилиндрического конденсаторов

1.2.4 Омическое сопротивление

Омическое сопротивление специализированных проводников в контуре может подвергаться изменению под воздействием - силы, при этом степень изменения сопротивления может быть признаком действующих сил. Например, угольный порошок и твердые угольные пластины при растяжении и сжатии изменяют свое сопротивление в широких пределах. На теоритическом уровне для этой цели пригодны все без исключения твердые упругие тела, а так же газообразные и жидкостные, которые не оказывают электрическому току бесконечно большого сопротивления (полупроводники). Угольные пластины показывают хорошую повторяемость результатов, пока они под влиянием нагрузки испытывают лишь упругие деформации.

На рисунке 1.13 расположен датчик с двойным угольным столбцом. Под воздействием силы P малая упругая деформация осаживаемого цилиндра 1 переходит чуть деформированной стойке 2, последующий изгиб которой вызывает сжатие одного из угольных столбцов 3 и разгрузку другого. Несколько причин ограничивает надежность способа.

Рисунок 1.13 - Датчик с угольным сопротивлением.

Угольный столбик иногда разрушается и это плохо видно и тогда прибор будет давать неверные результаты. Имеет место механический гистерезис. Градуирование вращающихся элементов должно выполняться не в статическом а в динамическом состоянии, так как изменение сопротивления угольных пластин может быть вызвано силой центробежной, уплотняющей частицы угля, вследствие чего изменяется их действительная поверхность соприкосновения. Частота колебания столбика - 60000 Гц. Снижается почти до 20000 Гц у корпуса самого приемника.

1.2.5 Электроиндуктивный метод

В качестве датчиков используются катушки, у которых может изменятся величина воздушной щели из за постоянного приложения переменного тока д (рисунок 1.14). При воздействии нагрузки на часть датчика которая в движении, привязанная с сердечником катушки, увеличивается или уменьшается зазор (на сотые доли миллиметра), а так же и сила индукционного тока во второй катушке. Зазор д для значительного диапазона измерений колеблется в пределах 0,1-0,2 мм. Более целесообразно считать, что с увеличением нагрузки зазор д не уменьшался, а увеличивался. В этом случае увеличивается чувствительность метода и, кроме того, с увеличением д дроссель предохраняется от замыкания.

Электродинамометр насыщается переменным током, по этой причине показания прибора искажаются при выключении и включении станка, работающих на не постоянном токе и расположенных рядом с прибором. Искажения сложно целиком ликвидировать, пользуясь стабилизатором напряжения. Так же искажаются сведения при присутствие вибрационных явлений.

Рисунок 1.14 - Схематическое изображение датчика индукционного



1.2.6 Электромагнитный метод

При этом способе используют катушку переменного тока с магнито-упругим сердечником из пермаллоя (78% Ni, остальное -- Fe, С и др. составляющие). Под влиянием нагрузки на сердечник в зависимости от степени механического напряжения его меняется силовое магнитное поле, что отображается на самоиндукции, а так же и на силе тока в катушке. Удачные и простые схемы электромагнитных датчиков, с использовании индукции работающих на сжатие (а) или самоиндукции (б), представлены на рисунке 1.15. При мало меняющихся напряжениях сжатия магнитоупругий эффект устойчив. Для пермаллоя допустимо наибольшее напряжение 6--8 кгс/мм², чем и определяются минимальные размеры датчика. В зависимости от размера корпуса собственная частота колебаний изменяется и доходит до 20 000 Гц. При колебании напряжения в сети должен быть предусмотрен стабилизатор напряжения.

Рисунок 1.15 - Схема электромагнитных датчиков

1.2.7 Бесконтактные методы

Бесконтактные методы базируются на зондировании объекта звуковыми или электромагнитными волнами.

Согласно [5], метод ультразвуковой фазометрии заключается в измерении разности фаз опорного сигнала ультразвуковой частоты и сигнала, отраженного от исследуемого объекта. В качестве чувствительных элементов используется пьезоэлектрическая керамика. К достоинствам метода можно отметить дешевизну и компактность аппаратуры, малое время измерения, отсутствие ограничения на нижнюю границу частотного диапазона, высокую точность измерения низкочастотных вибраций. Применение ультразвуковых способов препятствует невысокая разрешающая способность, высокое затухание ультразвука в среде воздуха, уменьшение точности измерений с повышением вибраций.

Обширное продвижение приобрели оптические методы, базирующие на зондировании объекта видимым светом. Всех их выделяют в две категории. К первой относятся способы, базирующие на результатах эффекта Доплера. Одним из легких является гомодинный способ, который дает возможность определить амплитуды и фазы гармонических вибраций, но не возможно исследовать негармонические и большие по амплитуде вибрации. Другой метод этой группы - гетеродинный - не имеет такого недостатка, но все же необходима калибровки и выбор непростой аппаратуры для измерений. Большим минусом оптических методов первой группы является высочайшие качества для среды и поверхности измеряемой детали. Для голографических методов образующих вторую группу требование к качеству поверхности намного меньше. Голографические методы обладают высокой разрешающей способностью (но и они требуют дорогого и сложного оборудования), а также сравнительно большим временем измерения.

Совокупными недостатками является: сложнейшее изготовление, громоздкость и большая стоимость; большое электропотребление; высокие требования к качеству поверхности исследуемого объекта и к состоянию внешних факторов (определенная влажность, отсутствие запыленности и т.п.). Так же лазерное излучение плохо влияет на обслуживающий персонал и их глаза и зрение, нужны дополнительные средства защиты.

Частотную нишу среди звуковыми и зрительными способами занимают радиоволновые. Особенности носителя информации - электромагнитного поля -придают ряд замечательных свойств радиоволновым методам измерения, контроля и технической диагностики. Радиоволновые методы считаются безинерционными и допускают перемещения, а так же бесконтактные измерения и линейной скорости. Регулируемые объекты могут быть как диэлектриками и проводниками без потерь и с потерями. Они могут использоваться на расстоянии от сантиметров до нескольких метров, в плохой видимости или вовсе её отсутствия, высоких температур и для объектов с большим многообразием форм и материалов поверхностей. Становится возможным измерить вибрацию динамических узлов, не нарушая конструкции или через герметичные стенки приборов. Например, измерить параметры движения второй крыльчатки турбины самолета, зондируя сигналом через первую в процессе их работы.Как показал анализ, наиболее широкой сферой использования наряду с высокой надежностью и низкой стоимостью обладают радиоволновые методы.

Сравнительные характеристики бесконтактных методов приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 ? Основные характеристики бесконтактных методов измерения

Характеристики	Вибрация
	Ультразвук	Радиоволны	Оптика
Длины волн зондируещего сигнала	1-15 мм	3-8 мм	400-760 мм
Диапазон перемещений	10-50 мкм	От 1 мкм до 5 м	От 1пм до 1 м
Диапазон измеряемых частот	0-3000 Гц	0-250 кГц	0-20 МГц
Характеристики	Ультразвук	Радиоволны	Оптика
Разрешение	10-30 мкм	?1 мкм	?1 пм
Рабочее расстояние до объекта	Не более 1.5-2м	0.2-10 м	0.1-10 м
Недостатки	Низкая разрешающая способность, низкий динамический диапазон,не реальность измерения перемещений	Сложность отколибровки (для амплитуды)	Высокая стоиомость, сложность изготовления аппарата
Достоинства	Дешевое изготовление данного прибора	Широкий динамический диапазон	Возможность точечных измерений высокая точность.

1.3 Вибрация, ее измерение и анализ

Согласно [6], вибрация в связи с природой её возникновения, может быть либо определенной (чаще периодической), либо спонтанной.

Одним из простых образцов определенного сигнала вибрации - гармоническое колебание (рисунок 1.16).

Абсолютно случайный сигнал способен принять любое значение в конкретном спектре, поэтому его определяют не как амплитуду, частотой и фазой, а пиковым значением, среднеквадратическим значением, средним значением (продетектированного сигнала) и значением от пика до пика.

Рисунок 1.16 - Случайный вибрационный сигнал.



Периодическая вибрация способна быть в виде спектра. В нем может быть одна составляющая (гармонический сигнал), или много кратных. Спектр удобен тем, что он делит вибрацию на компоненты с разными свойствами, а достаточно часто и разной природы.

Стандартной диапазон (рисунок 1.17) характеризуется, равно как принцип, огромным количеством гармонических образующих в сфере невысоких частот. Согласно грани повышения частоты гармонических образующих делается менее и они почти отсутствуют в области высоких частот. С целью диагностики автомобилей и оснащения присутствие подборе частотной сфере пульсации необходимо принимать во внимание качества пульсации различной частоты. С целью диагностики автомобилей и оснащения присутствие подборе частотной сфере пульсации необходимо принимать во внимание качества пульсации различной частоты.

Так, в сфере инфранизких частот пульсация способен волноваться в том числе и никак не наиболее регулируемой автомобилем, а, к примеру, функционирующими вблизи иными автомобилями и, в этом количестве, идущим в относительно крупном дистанции автотранспортом.

Рисунок 1.17 - Спектр сигнала вибрации

Особенность пульсации в невысоких частотах заключается в этом, то что возлюбленная недостаточно утихает в пространстве а в следствии, в точку установки датчика доходит вибрация от узлов машины которая контролирует, от оборудования которое находится рядом как и другие машины. При этом возникают трудности при малых частотах локализации дефектного узла и проблема помехоустойчивости. На этих частотах (в диапазоне частот до 3-5 гармоники частоты вращения) машина колеблется как одно целое, исходя из этого нужны больше дефекты и силы, чтобы раскачать машину целиком.

На средних частотах в любой точке контроля вибрация возбуждается, колебательными силами, действующими в ближайших к ней узлах машины. В спектре вибрации наблюдается большое количество гармонических составляющих разной частоты, но из-за многочисленных резонансов соотношения амплитуд этих составляющих сильно отличаются от соотношений величин возбуждающих их колебательных сил. Как следствие - искажения информации о дефектах - источниках этих колебательных сил и отсутствие повторяемости результатов при малейшем изменении частоты вращения машины.

На высоких частотах вибрация приобретает волновой характер, в спектре мало линий, мало (на первый взгляд) информации, но для возбуждения вибрации достаточно даже малых сил.

Вибрация ультразвуковых частот возбуждается, в основном, микроударами, но распространяется только лишь согласно гомогенной сфере (металл без болтов, сварных швов). До требуемой точки ее измерения, если это не сосуд или трубопровод, иногда трудно добраться до него.

1.4 Корреляционная зависимость между параметрами колебаний и величиной износа режущего инструмента

Одним из способов перераспределения энергии при резании являются динамические процессы, которые проявляются в виде упругих колебаний элементов системы СПИД с различными амплитудами и весьма широким частотным спектром. Причины возникновения колебаний при механической обработке обусловлены в основном пульсациями сил резания из-за образования срыва и нароста, сдвигообразования в стружке, нестационарным характером трения на контактных поверхностях инструмента о сходящую стружку и обработанную поверхность.

Согласно [7], проведенные А. П. Соколовским исследования показали, что частоты автоколебаний при резании в зависимости от скорости обработки изменяются в широком диапазоне - от 300 до 570 Гц при растачивании и до 1500-5000 Гц при точении. В случае достаточной жесткости системы СПИД скорость резания не оказывает существенного влияния на частоту автоколебаний. Это влияние становится заметным при уменьшении жесткости системы СПИД. Было также отмечено, что колебания при точении возникали при затуплении инструмента по задней поверхности, однако специально вопрос о взаимосвязи величины износа инструмента и параметров возникающих колебаний не исследовался.

К данному вопросу вернулись при разработке автоматических систем контроля величины износа режущего инструмента с помощью измерения акустических характеристик процесса резания. При этом регистрируемыми являлись не автоколебания системы СПИД, имеющие сравнительно низкую частоту (до 5000 Гц), а колебания в звуковом (до 20 кГц) и ультразвуковом (свыше 20 кГц) частотных диапазонах.

Идея акустической диагностики основана на том предположении, что каждому состоянию системы СПИД должно соответствовать сугубо индивидуальное в каждом конкретном случае акустическое излучение. Выбор акустических характеристик в качестве информативных признаков состояния системы СПИД обусловлен следующим рядом причин:

1. Они являются отражением наиболее существенных, доминирующих процессов формообразования: трения, разрушения и пластического деформирования материала в зоне резания, а также функционирования системы СПИД в целом.

2. Акустическое излучение как носитель полезной информации обладает большой емкостью, которая обусловлена его чрезвычайно широким спектром.

3. Регистрация акустического излучения позволяет производить быстрые изменения в естественных условиях обработки, а методы обработки сигнала достаточно хорошо разработаны.

Сложность явления акустического излучения обусловлена взаимодействием микро- и макропроцессов в зоне резания, функционированием других агрегатов системы СПИД, в которых возбуждаются упругие колебания. Необходимо отметить некоторую условность разграничения динамических процессов резания на вибрационные, акустические и другие, так как по своей природе все они связаны с превращением упругой энергии в другие виды, в первую очередь в тепловую. Это разграничение связано в основном с частотой колебаний ив ряде случаев является непринципиальным.

Проведенные испытания различных методов вибрационной диагностики процесса резания показали, что акустический метод контроля величины износа инструмента при его эксплуатации обладает рядом преимуществ: благодаря регистрации колебаний в звуковом и ультразвуковом диапазонах частот можно с помощью электрических полосовых фильтров существенно снизить уровень посторонних шумов, преобразователи механических колебаний в электрический сигнал легко крепятся на теле резца или корпусе резцедержателя, не оказывают влияния на процесс резания, методика измерений и обработки сигналов достаточно хорошо разработана и проста.

Основой для установления корреляционных зависимостей между величиной износа инструмента и параметрами возникающих колебаний являются следующие соображения. По мере изнашивания инструмента возрастают силы резания и увеличиваются их колебания, что приводит к более интенсивным колебательным процессам в системе СПИД. Кроме того, одной из причин возникновения колебаний является трение поверхностей режущего инструмента о стружку и обработанную поверхность заготовки. При увеличении износа возрастает площадь контактирующих поверхностей, а следовательно, число источников колебаний. Таким образом, изнашивание инструмента должно приводить к увеличению числа регистрируемых колебаний при одинаковом пути резания, а также к изменению других параметров колебательного процесса.

Наиболее часто для исследования процесса резания и контроля величины износа режущего инструмента путем регистрации и анализа возникающих колебаний применяют метод акустической спектрометрии. Суть метода в том, что исследуется спектр частот регистрируемых колебаний, выбираются некоторые характерные частоты, на которых наблюдается изменение амплитуд сигналов при изменении параметров механической обработки (скорости, подачи, глубина резания, величины износа инструмента) и устанавливается корреляционная связь между амплитудами сигналов и параметрами обработки. Диапазон частот, на которых проводится спектральный анализ, различен. Он может охватывать область звуковых частот (до 20 кГц), а также существенно превышает порог слышимости, захватывая ультразвуковые частоты. Полоса пропускания аппаратуры может быть как узкой (2-3 кГц), так и весьма широкой (10-100 кГц).

В методике проведения этих исследований много общих черт. В частности, в качестве приемного преобразователя колебаний применяются пьезоэлектрические преобразователи, работающие как виброметры, реже - микрофоны, поскольку это сужает частотный диапазон измерений и затрудняет выделение полезного сигнала из шума, что является немаловажным фактором при реализации методики диагностирования величины износа инструмента в производственных условиях.

Пьезоэлектрические преобразователи рекомендуется устанавливать как можно ближе к зоне резания, благодаря чему достигается максимальная чувствительность системы измерения, в особенности на ультразвуковых частотах. Измерения колебаний в процессе обработки показали, что частотный спектр при распространении упругих волн в жесткой замкнутой системе "деталь - зажимные элементы приспособлений" изменяется незначительно. При измерениях в других точках системы СПИД (станина, шпиндельная бабка) спектр колебаний существенно отличается, что говорит о невозможности использования для акустических измерений точек с нежесткой связью.

Состав применяемой аппаратуры различается в зависимости от решаемой задачи и способа обработки информации, поступающей от преобразователя. На рисунке 1.18 представлена блок-схема аппаратуры, применяемой для измерения величины износа режущего инструмента в процессе обработки.

Колебания принимаются с помощью пьезоэлектрического акселерометра типа ИС-313А, электрические сигналы от которого через катодный повторитель и широкополосный усилитель подаются на блок записи ЕД-2-130 измерительного 14-канального магнитофона, обеспечивающего запись с полосой частот от 2 до 30 кГц. С выходного блока ЕД-010 воспроизводимый сигнал подается на спектрометр звуковых частот, с экрана с помощью фотоприставки производится съемка спектрограмм. О величине износа судят по величинам амплитуд на разных фиксированных частотах. Недостатком такого способа измерения величины износа режущего инструмента является необходимость выявления полосы частот, для которой характерно наличие корреляционной связи между уровнями колебаний и величиной износа. Кроме того, данная система обладает малой помехозащищенностью, что весьма необходимо для надежности измерений.

С целью повышения помехозащищенности и точности измерений устройство для измерения величины износа снабжено системой автоматической настройки частоты фильтра по амплитуде выходного сигнала. Устройство работает следующим образом (смотри рисунок 1.18). Сигналы от преобразователя 1, установленного на державке резца, поступают в предварительный усилитель 2; выгодной сигнал разделяется на низкочастотную и высокочастотную составляющие полосовыми фильтрами 3 и 6. Далее сигналы детектируются детекторами 4 и 7 и подаются на схему деления 9, где формируется сигнал, пропорциональный износу, фиксируемый регистратором 10. Выходы системы автоматической настройки фильтров 5 и 8, осуществляющие выбор гармоник с наибольшей амплитудой.

Рисунок 1.18 - Блок-схема аппаратуры для контроля износа режущего инструмента:1 - пьезоэлектрический акселерометр; 2 - катодный повторитель; 3 - усилитель-интегратор; 4 - записывающее устройство; 5 - воспроизводящее устройство; 6 - спектрометр звуковых частот; 7 - индикатор; 8 - индикатор уровня записи и воспроизведения; 9 - микрофон; 10 - усилитель; 11 - фотоприставка; 12 - динамический громкоговоритель.

При исследованиях было установлено, что изношенная режущая кромка генерирует высокочастотные колебания, которые не создает острый режущий инструмент. Действительно, при обработке острым инструментом колебания возникают в основном вследствие образования стружки по мере удаления металла от заготовки. С ростом величины износа режущей кромки увеличивается площадка изнашивания по задней поверхности, что приводит к увеличению площади контактирующих поверхностей заготовки и инструмента. Это вызывает появление дополнительных колебаний, причем частота их выше, чем при образовании стружки. Общая энергия высокочастотных колебаний возрастает с увеличением ширины площадки изнашивания по задней поверхности. Эксперименты проводились при точении конструкционной стали резцами из твердых сплавов; скорость обработки составляла от 12 до 300 м/мин; подача изменялась от 0,25 до 0,5 мм/об; глубина резания от 2,5 до 5 мм.

На основании проведенных исследований был сделан вывод: отношение амплитуд и энергий сигналов на высоких и низких частотах коррелирует с величиной площадки изнашивания. Этот принцип был положен в основу разработанного прибора для контроля величины износа. В приборе производится разделение высоких и низких частот, определяется их отношение. Выходной сигнал вырабатывается тогда, когда вследствие увеличения колебательной энергии высокочастотных гармоник отношение амплитуд высокочастотных сигналов к низкочастотным превышает заранее установленное значение, характеризующее выбранную величину износа режущего инструмента. Данный прибор применяют в станках с ЧПУ, что позволило автоматизировать замену твердосплавных пластин, т.е. повысить надежность функционирования металлообрабатывающего оборудования.

На рисунке 1.19 приведены данные о линейной зависимости амплитуды колебаний на резонансной частоте пьезопреобразователя (49 кГц) и ленточки изнашивания, полученные при точении конструкционной стали. Анализ спектров колебаний, возникающих при точении стали ХВГ резцами из твердого сплава Т5К10 с разным износом задней поверхности, показал, что по мере увеличения износа возрастают амплитуды и низкочастотных (f = 44 - 400 Гц). Анализ спектров колебаний, возникающих при точении стали ХВГ резцами из твердого сплава Т5К10 с разным износом задней поверхности, показал, что по мере увеличения износа возрастают амплитуды и низкочастотных (f = 44 - 400 Гц) и высокочастотных колебаний (f = 4 - 19 кГц), причем, если в низкочастотной области уровни амплитуд увеличились на 14-18 дБ (5-8 раз), то в высокочастотной области спектра увеличение амплитуд соответствовало 40-44 дБ (~100 раз).



Рисунок 1.19 - Зависимость амплитуды колебаний от величины износа режущего инструмента при разной скорости съема металла

Исследователи объясняют резкое возрастание амплитуд в высокочастотной области звукового диапазона тем, что при точении изношенным инструментом возникают резонансные колебания резца, причем резонансная частота лежит в регистрируемом диапазоне - для данного случая она соответствовала 6730 Гц.

При анализе спектров колебаний, возникающих при сверлении стали 45, который проводился с целью определения момента затупления сверл, было установлено, что в момент затупления сверла значительно возрастают амплитуды на низких частотах - до 1000 Гц и уменьшается уровень сигналов на высоких частотах - свыше 1000 Гц. Обработка производилась сверлами из сталей Р18 и Р6М5 со скоростью 60 и 80 м/мин; подачей 0,2 и 0,28 мм/об.

Приведенные в качестве примеров результаты свидетельствуют о наличии корреляционной связи между параметрами колебаний, в частности между амплитудами на определенных частотах и величиной износа режущего инструмента.



1.5 Методы уменьшения вибраций

Согласно [1], насыщенность вибраций возможно уменьшить, понижая мощность, возбуждающие колебания, и повышая противодействие системы. Широкоизвестными способами увеличения виброустойчивости движения резания считается увеличение жесткости технологической системы СПИД и бесперебойное положение станка. При оптимальном зазоре в переднем подшипнике шпинделя, устранении зазоров в гайке ходового винта, правильной регулировке направляющих клиньями и т. п. можно добиться того, что даже при работе со скоростями резания, соответствующими зоне вибраций, интенсивность вибраций будет настолько уменьшена, что это не отразится на качестве обработки и нормальной эксплуатации инструмента.

Использовать нужное СОЖ (уменьшаются различные трения, в зоне резания, лучше уходит стружка). Согласно [4], СОЖ оказывает демпфирующее действие. Оно состоит в снижении амплитуды сомнений компонентов научно-технической концепции (в первую очередь в целом - механизм - заготавливание) в случае применения гидрофитных и в особенности маслоподкачивающих СОЖ. Данный обстоятельство в первый раз замечен И. Л. Худобиным и обретает фактическое использование присутствие шлифовании с выхаживанием. В последнем случае производительность шлифования существенно увеличивается за счет сокращения времени на процесс выхаживания. Понижение уровня колебаний в зоне контакта шлифовальный круг-заготовка (а также круг - правящий инструмент), вероятно, может быть достигнуто в том случае, когда СОЖ создает пленки, разделяющие трущиеся поверхности.

Учитывая ударный характер взаимодействия инструмента и заготовки, при некоторых методах обработки (например, фрезерование) и современные тенденции к резкому увеличению скоростей лезвийной обработки (до 10 - 20 м/с и более) данному действию СОЖ и методам его реализации в ближайшем будущем, несомненно, будет уделено достаточно большое внимание. В частности следует ожидать использования в качестве демпфера в контактных зонах не только масляных СОЖ, но и пластичных смазок и твердых смазочных материалов, способных при контактных температурах зоны резания переходить из одного агрегатного состояния в другое, усиливая теплоотвод и повышая качество поверхностного слоя обрабатываемых заготовок.

При недостаточной жесткости детали или инструмента интенсивность вибраций может быть уменьшена применением виброгасителей различных типов, из которых наибольшее распространение нашли виброгасители ударного действия и основанные на введении в колебательную систему различных сопротивлений (рисунок 1.20).

Рисунок 1.20 - Виброгасители ударного действия

Виброгасители воздействуют не на источник колебаний, а только уменьшают возникшие колебания. Различают две группы виброгасителей: фрикционные и динамические.

Фрикционные виброгасители впитывают энергию колебаний механическим или гидравлическим трением. Фрикционные виброгасители исполняются в варианте люнета и имеют кулачки, втянутые к валу пружинами (автоматическое фрикция) либо пролетарой жидкостью-маслом либо гидропластом (жидкостное фрикция). Гидроарматизатор является примером фрикционных гасителей. Схема работы механического виброгасителя при точении приведена на рисунок 1.21, а.

Динамические виброгасители одно - и многомассовые используют для поглощения энергии колебаний инерционные силы (рисунок 1.21, в). Для этого к колеблющейся части механизма прикрепляется пустотелый корпус, внутри которого помещен незакрепленный грузик. При направлении движения колебания в одну сторону корпус вместе с грузиком также движется в ту же сторону. При обратном движении незакрепленный грузик продолжает по инерции движение в первоначальном направлении, частично поглощая энергию колебания за счет удара.

На рисунке 1.21, б приведена схема регулируемого динамического виброгасителя конструкции токаря Рыжкова, применяемого при точении. Виброгаситель состоит из втулки, крепящейся к резцу винтом через пружинку. Регулируя усилие сжатия пружины винтом, добиваются уменьшения вибраций при различных условиях резания.

Рисунок 1.21 - Виброгасители: а - механический; б - динамический; в - схема работы динамического виброгасителя: 1 - корпус; 2 - груз.



2. ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКАЯ ЧАСТЬ

2.1 Разработка методики исследования вибраций и ударных взаимодействий

2.1.1 Единицы измерения вибраций и требования к приборам

Согласно [6], диагностика - это, в основном, поиск слабых компонент сигнала на фоне сильных. Различаются слабые и сильные компоненты обычно и по частоте. По мощности эти компоненты могут различаться в 10000000 раз, исходя из этого измеряют амплитуду а не мощность и разница между сильными и и слабыми уменьшается до порядка 10000 раз. И слабую компонент необходимо найти и узнать её свойства. И анализатор должен обеспечить необходимый диапазон без переключений в 100000 раз.

Для того чтобы было легче ориентироваться принято изображать всё в логарифмическом масштабе.

Пара составляющих, если они отличаются по мощности в 15 раз, то нужно считать и принимать как на 10 дицебел. Если посмотреть различие амплитуд этих составляющих - то оно другое. В акустическом различии амплитуд составляющих в 20 раз в логарифмическом масштабе сопоставимо с 40 дБ. Осталось увязать точки отсчета конкретных единиц виброускорения, виброскорости, вибросмещения, звукового давления и децибелов. В соответствии со стандартами МЭК:

- 2 м/с2 = 240 дБ вибро ускорения;

- 2 мм/с = 240 дБ вибро скорости;

- 2 мкм = 240 дБ вибро смещения;

- 40 Па = 240 дБ звукового давления.

На одной частоте совпадают вибро смещение, вибро скорость и вибро ускорение - 1000 рад/с или 159 Гц.

Требование которое предъявляется к приборам - высокая линейность. Она необходима для того, чтобы нелинейные искажения от сильных составляющих сигнала не мешали анализировать слабые составляющие. Естественно, что пределом является линейность, определяемая динамическим диапазоном 160 дБ, т.е. не хуже 0,02%. На практике, как правило, удается достичь в лучшем случае величины 0,06 %, т.е. искажения появляются на уровне -140 дБ, и это вполне достаточно для диагностических измерений.