Механизм импульсных взаимодействий твердых тел при комбинированной обработке

В работе рассмотрены теоретические вопросы использования при комбинированных методах обработки низкочастотных колебаний, воздействующих на обрабатываемую деталь и (или) инструмент с целью интенсификации процесса и повышения технологических показателей процесса

При комбинированной обработке деталей с наложением электрического поля (электродом-щеткой. струйным, импульсным методом и др.) имеются контактные воздействия, как правило, инструмента с деталью. Параметры таких импульсов определяют технологические показатели процесса обработки, а мощные ударные воздействия с низкой частотой создают условия для удалении загрязнений с деталей, например, остатков керамических форм для точного литья.

Механизм взаимодействий твердых тел подробно рассмотрен в [1,2] для виброударного и дробеструйного упрочнения металлическими гранулами.

Режим непрерывного подбрасывания гранул характерен тем, что при нем этап подбрасывания следует тотчас же за этапом соприкосновения загрузки (среды и детали). Это позволяет рассматривать влияние загрузки на камеру как действие периодических импульсов в момент соударения.

Известно, что при упругом соударении двух тел ударный импульс, действующий на каждое тело, равен:

(1)

где V₁, V₂ - относительная скорость соударяющихся тел;

- коэффициент восстановления, представляющий собой отношение относительных скоростей после удара и до удара; m₁, m₂ - массы соударяющихся тел.

Нормальная относительная (к камере) скорость частицы загрузки в момент соприкосновения с поверхностью камеры может быть определена из уравнения [2]:

,

где - момент падания частицы;

- момент отрыва частицы от вибрирующей поверхности;

- частота вынужденных колебаний камеры;

b - приведенная нормальная амплитуда колебаний точки камеры, соуда­ряющихся с частицей;

- нормальная скорость в момент отрыва частицы от поверхности камеры.

Для режима непрерывного подбрасывания время полета частицы можно принять равным:

(2)

где р - поверхностная плотность электромагнитных сил

Откуда

(3)

(3)

где р - кратность продолжительности полета частицы к периоду колебаний при установившемся движении.

Считая удар частиц упругим (р = 0), находим скорость отрыва частицы относительно вибрирующей поверхности камеры:

(4)

Подставляя в уравнение полученные значения t_n, t_o и у^*_о, находим

⁽⁵⁾

Сумма проекций нормальных импульсов соударяющихся частей на ось у составит (рис. 1).

Рис.1. Схема относительных скоростей частицы загрузки в момент соударения с камерой

(6)

где

;

следовательно

(7)

где М₃ - масса загрузки;

М - масса колеблющихся частей машины.

Располагая величиной периодического импульса, действующего на камеру в момент ее соударения с загрузкой, можно приближенно определить колебания камеры, которые они вызывают.

Длительность действия каждого импульса принята весьма малой. Периодический импульс вызывает свободные колебания, которые под действием сил неупругого сопротивления затухают. В случае вязкого сопротивления движение описывается уравнением:

где

;

;

где - частота свободных колебаний;

n - коэффициент вязкого сопротивления;

- амплитуда колебаний;

- начальная фаза колебаний. В нашем случае [2]

- период переключения установившегося движения загрузки (период импульсов).

Использовав выражение коэффициента W_o относительного ускорения и подставив значение импульса, получают для амплитуды колебаний формулу

Д

(9)

ля краткости записи вводим следующие обозначения:

В

(10)

тех случаях, когда период импульсов Т в целое число раз больше собственного периода колебаний - наступает резонансный режим, при этом, Т = 1, Следовательно

И

(11)

з последнего уравнения следует, что резонансная амплитуда при наличии сопротивления является конечной величиной, тем меньшей, чем больше сопротивление.

Д

(12)

ля определения величины Р используют график работы (рис. 2), на котором показаны области существования и устойчивости режимов с непрерывным подбрасыванием при разных значениях Р и в зависимости от значения коэффициента восстановления R и относительного ускорения W_o(рис. 1), гдеК₃ представляет собой отношение массы колеблющихся частей машины и загрузки, т.е.

В непосредственный контакт с рабочей камерой при каждом соударении входит не вся масса загрузки, а лишь часть ее 20-40%.

Рис. 2. Области применения и устойчивость режимов

с непрерывным подбрасыванием

Остальная среда перемещается под влиянием активного слоя, соприкасающегося со стенками рабочей камеры. Это явление довольно четко фиксируется скоростной киносъемкой процессов виброобработки[3;4].

Чем выше интенсивность колебаний (больше W_o), тем меньшая часть загрузки соударяется с камерой. Поэтому при определении коэффициента К₃ необходимо в его формулу вводить не всю величину массы М₃, а только часть ее в указанных выше пределах.

Используя принцип суперпозиции (наложения действия), можно представить уравнение движения камеры с учетом обратного воздействия массы загрузки, где начало отсчета времени совмещено с моментом падения и взлета частиц t_o:

(13)

Величина фазового угла cot₀ - у, отвечающего в рассматриваемом режиме моменту падения и отрыва частиц от камеры, определяется выражением

(14)

График, построенный по уравнению (14) представлен на рис. 3, где первое слагаемое изображается сплошной, второе - пунктирной и суммарное - штрихпунктирной линиями.

Рис. 3. Суммарные колебания камеры: вынужденные --------;

импульсные; − ∙ − ∙ − ∙ − суммарные

Уравнение (14) , описывает сложное колебание камеры с учетом обратного воздействия загрузки. Это случай сложения двух гармонических колебаний с неодинаковым периодом, когда ам­плитуда и угол сдвига фаз суммарного движения не постоянны, а периодически изменяются [2].

Вибрационные станки обычно работают в зарезонансном режиме, поэтому частота собственных колебаний Р- меньше вынужденных.

Дополнительные колебания камеры с низкой частотой Р* при определенных сочетаниях параметров машины и загрузки могут иметь значительные амплитуды, недопустимые для некоторых технологических процессов [5]

Рассмотренный в работе механизм протекания низкочастотных соударений позволяет проектировать технологические процессы,включающие,наряду с действием электрического и магнитного поля,механическиевоздействия,происходящие одновременно с электрическими процессами и оказывающими на них существенное воздействие.

Литература

1.Гребенщиков А.В. Расчет колебаний обечайки изделий при очистке ее от загрязнений / А.В. Гребенщиков, В.П. Смоленцев // Ж. «Металлообработка», 2008, №1 – С. 25-27

2. Электрофизические и электрохимические методы обработки материалов, ТII / Под ред. В.П. Смоленцева // М: Высшая шк., 1983. – 208 с.

3.Смоленцев В.П. Технологические режимы импульсного удаления толстослойных покрытий / В.П. Смоленцев, А.В. Гребенщиков// Ж. «Металлообработка», 2009, № 1 – С.16-20

4 Смоленцев В.П. Поверхностный слой материалов после импульсной обработки / В.П. Смоленцев, Г.К. Фатыхова, А.В. Гребенщиков// Ж. «Упрочняющие технологии и покрытия», 2008, № 10– С.45-47

5.Бабичев А.П. Основы вибрационной техники / А.П. Бабичев, И.А. Бабичев // Ростов н/Д: ДГТУ, 1999. – 528 с.

Воронежский государственный технический университет

Воронежский механический завод

УДК 303.1

В.Н. Старов, Н.М. Кременецкий, А.В. Гуров, А.С. Ткачев