ВИБРОУДАРНОЕ УПРОЧНЕНИЕ

ВИБРОУДАРНОЕ УПРОЧНЕНИЕ КРУПНОГАБАРИТНЫХ ДЕТАЛЕЙ
В БЛИЗКО РЕЗОНАНСНОМ РЕЖИМЕ
Научный руководитель: д.т.н., проф. Копылов Юрий Романович.
urkopulov@mail.ru
Исполнитель: Мерчалов Александр Сергеевич.
Специальность ВАК 05.02.07 – Технология и оборудование механической и
физико-технической обработки. 2014.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
1. При исходной отстройке подвижной системы детали, упруго закрепленной на контейнере, на 10-15% от резонанса в до резонансную область, за
резонансной отстройке подвижной системы контейнера, при уменьшении
массы инструментальной среды до 15-20 %, обеспечивается достаточная
стабильность показателей качества поверхностного слоя за счет нелинейных
буферных пневмоупругих элементов, вибрационное воздействие на основание не превышает 5-7 % от амплитуды колебаний детали.
2. Мощность привода вибратора на единицу амплитуды колебаний
подвижной системы детали, при указанных режимах, меньше на 50-70 % по
отношению к жесткому креплению детали и за резонансному режиму.
3. За счет установки экрана на подвижной системе детали, перемещении детали и частиц у ее поверхности изменяются с попутных на противофазовое, энергия их соударений увеличивается на 30-40%, технологические показатели качества поверхностного слоя повышаются на 15-17%.
VIBRO HARDENING OF LARGE PARTS IN CLOSE
RESONANT MODE
Research supervisor: doctor of technical Sciences, Professor Yuri Kopylov Romanovich. urkopulov@mail.ru
Artist: Markalov Alexander Sergeevich.
Specialty HAC 05.02.07 - Technology and equipment of mechanical and physicaltechnical processing. 2014.
THE MAIN RESULTS AND GENERAL CONCLUSIONS
1. When the starting offset of the moving system details, elastically the closedimprisoned on the container, 10-15% from resonance in to the resonance region, resonance for the restoration of the moving system of container, with the reduction of mass instrumental environment to 15-20 %, provided sufficient stability indicators of the quality
of the surface layer due to the nonlinear buffer pneumology elements, vibration impact
on the ground does not exceed 5-7 % of the amplitude detail.
2. Drive power vibrator per unit of amplitude of fluctuations of a mobile system
parts, under these regimes, less than 50-70 % compared to rigid fastening details and resonant mode.
3. Due to the installation of the screen on a mobile system parts, move the Deposit
details and particles from the surface of change with passing on protivorvotnoe, energy
collisions increases by 30-40%, the technological parameters of quality of the surface
layer increase by 15-17%.
1
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. При виброударном упрочнении крупногабаритных деталей используются за резонансные режимы работы виброупрочняющих станков с жестким креплением в контейнере, с вращением или с переустановкой. Виброударное упрочнение позволяет для деталей, например из
стали 30ХГСНА, обеспечить формирование сжимающих остаточных напряжений 320-560 МПа, наклеп 12-15 %, снижение исходной шероховатости в
два – три раза. В результате виброударное упрочнение повышает усталостную прочность до 12-15 % и усталостную долговечность – до 20-30 %.
В за резонансном режиме при жестком креплении детали в контейнере
на 100 кг массы детали приходится около 1000 кг и более массы подвижной
системы контейнера. Поэтому необходимы большие мощности вибратора.
Например, на ВУД-2500 для получения амплитуды колебаний 0,5 см установлен электродвигатель 75 кВт. За резонансные режимы затрудняют управление режимами обработки, в этой связи возникают значительные погрешности упрочнения. Обработка с вращением детали в контейнере связана с конструктивной сложностью и низким ресурсом оснастки.
Известны многочисленные примеры полезного применения резонанса,
в том числе в механических системах (вибрационные конвейеры, грохоты и
др.). Повышение производительности и снижение энергетических затрат
вибрационных машин основано на применении резонанса, в котором упругие
и инерционные силы взаимно уравновешиваются, а энергия вибратора расходуется на преодоление диссипативных сил. Резонансные режимы обладают
меньшими затратами мощности, позволяют управлять режимами в процессе
обработки, но обладают низкой динамической устойчивостью в связи с высокой чувствительностью к изменению технологической нагрузки и параметров системы, оказывают большое вибрационное воздействие на основание.
В настоящей научно-исследовательской работе для устранения этих
недостатков предлагается подвижную систему детали с установленным на
ней вибратором упруго крепить к контейнеру с близко резонансной настройкой, а контейнер крепить к основанию с за резонансной настройкой. В этом
случае подвижная система детали за счет вибратора совершает близко резонансные колебания с амплитудой ускорения 8-10 g, а подвижная система
контейнера, установленная на основание на амортизаторах малой жесткости,
совершает за резонансные колебания с ускорением 4-5 g за счет силового
воздействия упругих элементов подвижной системы детали. Динамическая
устойчивость резонансного режима решается конструктивно за счет применения буферных пневматических упругих элементов с нелинейной характеристикой жесткости.
Актуальность диссертации обусловлена тем, что применение резонанса
повышает эффективность вибрационных технологий, в том числе виброударного упрочнения, но связано с обеспечением устойчивости при воздействии
дестабилизирующих факторов и со снижением значительных вибрационных
воздействий на основание, которые не решены в настоящее время.
2
Работа выполнена в соответствии с федеральной целевой программой
«Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 20092013 г.г. (мероприятие 1.2.1 «Проведение поисковых научноисследовательских работ по направлению «Ракетостроение») и научным направлением ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет» в соответствии с планом ГБ НИР № 2010.15 «Наукоемкие технологии в машиностроении, авиастроении и ракетно-космической технике».
Научная проблема состоит в обосновании эффективного применения
резонансных режимов при виброударном упрочнении за счет упругого крепления упрочняемой детали в контейнере и применения буферных пневмоупругих элементов с нелинейной жесткостью, обеспечивающих устойчивость
процесса, снижение вибрационного воздействия и потребляемой мощности.
Цель научно-исследовательской работы состоит в теоретическом
обосновании и экспериментальном подтверждении работоспособности новой
технологической схемы виброударного упрочнения с упругим креплением
детали в близко резонансном режиме, которая обеспечивает устойчивость
процесса при изменении массы инструментальной среды и стабильность
формирования шероховатости, остаточных напряжений и наклепа, снижение
вибрационного воздействия на основание и потребляемой мощности.
Задачи исследований. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи исследований.
1. Разработать математические модели и теоретически исследовать динамику перемещений детали и контейнера, периодических соударений частиц инструментальной среды с различными участками упруго закрепленной
детали в близко резонансном режиме.
2. Разработать математические модели и теоретически исследовать
формирование шероховатости, остаточных напряжений и наклепа на различных участках упруго закрепленной детали в близко резонансном режиме.
3. Экспериментально исследовать характеристики буферных упругих
элементов; массовые, диссипативные и амплитудо-фазо-частотные характеристики технологической системы с упругим креплением детали.
4. Исследовать устойчивость, вибрационное воздействие на основание
и потребляемую мощность при упругом креплении детали.
5. Разработать методику расчета режимов виброударного упрочнения и
параметров вибростанка резонансного типа с упругим креплением детали.
Доработать компоновку виброустановки ВУД-2500.
Методы исследования. Теоретическое исследование динамических
параметров, формирования шероховатости, остаточных напряжений и наклепа на различных участках детали выполнялось посредством компьютерного
моделирования; экспериментальные исследования формирования этих параметров, а также динамической устойчивости, воздействия на основание и потребляемой мощности при переменной массе подвижной системы в близко
резонансном режиме осуществлялись на созданной установке ВУРТ-3М.
Научная новизна выполненных в научно-исследовательской работе
исследований состоит в следующем.
3
1. Выявлены новые закономерности периодических перемещений и соударений частиц инструментальной среды с различными участками упруго
закрепленной детали в близко резонансном режиме: частицы пограничного
слоя вибрирующей инструментальной среды перемещаются относительно
детали большую часть периода синфазно (попутно), в результате скорости их
соударений малы, интенсивность упрочнения снижается.
2. Теоретически установлено, что при креплении на детали экрана частицы пограничного слоя инструментальной среды перемещаются относительно детали в противофазе, в результате скорости соударений повышаются, интенсивность снижения шероховатости растет на 15-17 %, интенсивность формирования остаточных напряжений растет на 7-10 %, – наклепа на
8-12 %; относительная погрешность их формирования снижается на 20-30 %.
3. Экспериментально доказана возможность безаппаратурного обеспечения устойчивости амплитуды колебаний упрочняемой детали в пределах
20-35% при отстройке собственной частоты колебаний ее в дорезонансной
области на величину  /  0 ≈ 0,9  0,85, при изменении массы инструмен30%
тальной среды до 10
% , за счет упругого крепления детали и нелинейной
буферной жесткости пневмоупругих элементов.
4. Экспериментально установлено, что при упругом креплении детали с
близко резонансной настройкой  /  0 ≈ 0,9  0,85 и зарезонансной настройкой контейнера вибрационное воздействие на основание снижается пропорционально соотношению их масс до допустимых санитарных норм, а потребляемая мощность вибратора на единицу амплитуды колебаний снижается на
50-70 % и более по отношению к за резонансному режиму.
Достоверность результатов. Достоверность исследований, научных
выводов и рекомендаций, полученных в работе, обеспечивается корректностью постановки задач, обоснованностью принятых допущений теоретических исследований, применением апробированных методов математики и
механики; экспериментальными исследованиями процесса виброударной обработки для различных режимов оборудования; подтверждением теоретических результатов экспериментальными исследованиями.
Практическая значимость работы. Разработаны новая технологическая схема виброударного упрочнения с упругим креплением детали в близко
резонансном режиме и компоновка виброупрочняющего станка, позволяющая снизить на 50-70 % энергетические затраты, повысить при этом в 2-3
раза ресурс работы вибростанков, повысить качество обработки.
Апробация работы. Основные положения работы докладывались и
обсуждались на следующих семинарах и конференциях: Х Международной
научно-технической конференции «Управляемые вибрационные технологии
и машины (ВИБРАЦИЯ–2012)» (Курск, 2012); Международной научнотехнической конференции «Новые достижения, практическая реализация и
перспективы развития методов обработки поверхностным пластическим деформированием (ППД)», (Ростов, 2012); XIII Всероссийской научнотехнической конференции и школы молодых ученых, аспирантов и студентов
4
«Авиакосмические технологии» (Воронеж, 2009–2013); Международной научно-технической конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы
модернизации современного машиностроения», (Липецк, 2012).
Публикации по работе. По теме диссертации опубликовано 13 научных работ, в том числе 3 – в изданиях, рекомендованных ВАК РФ.
Структура НИР. Научно исследовательская работа состоит из введения, 5 разделов, выводов и приложения, изложенна на 138 страницах; включает 124 рисунков, 19 таблиц, список литературы 112 наименований.
ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснованы актуальность темы, определены основные
направления, цель и задачи исследований.
В первом разделе проанализированы исследования и практический
опыт виброударного упрочнения крупногабаритных деталей. Проведен анализ зарубежных и отечественных технологий упрочнения крупногабаритных
деталей, который показал, что проблема применения резонансных режимов
при виброударном упрочнении не достаточно исследована. Обоснована актуальность темы. Поставлены цели и задачи исследований.
Во втором разделе сформированы основные принципы и методы применения резонанса при виброударном упрочнении. Разработана и изготовлена динамически уравновешенная виброустановка резонансного типа (рис. 1),
в которой подвижная система детали 3 упруго закрепляется в контейнере 2
за счет резинокордных пневмоэлементов 5 типа И-15. Контейнер установлен
на основании на мягких амортизаторах 7. Пневмоупругие элементы оснащены клапанами 17 для подачи сжатого воздуха. На подвижной системе детали
установлен дебалансный мотор-вибратор 4 ЭВ-320-4. Для измерения колебаний использовался прибор ВИ-6-5М12 с датчиками виброускорения 14, установленными на подвижных элементах детали, контейнера и основания, которые подключаются к персональному компьютеру 13.
Регулирование жесткости G y и собственной частоты ω0 подвижной системы детали осуществляется ступенчато поджатием пневмоупругих элементов
и плавно давлением воздуха. Применяются четыре уровня поджатия: первый –
высота верхнего упругого элемента h в = 95 мм, нижнего h н = 85 мм; второй – h в =
78 мм и h н = 67 мм; третий – h в = 83 мм и h н = 78 мм; четвертый – h в = 65 мм и
h н = 60 мм. На каждом уровне давление менялось от 0,05 до 0,4 МПа.
Масса подвижной системы детали с вибратором m 2 =15,25 кг; масса
подвижной системы контейнера m1 =24,3 кг. Номинальная масса инструментальной среды m0 = 30 кг, которая при исследовании стабильности увеличивается на 10, уменьшается на 5 кг. Масса основания 74 кг.
5
Рис. 1. Схема экспериментальной установки резонансного типа с упругим креплением упрочняемой детали (ВУРТ-3М): 1 – основание; 2 – контейнер с инструментальной средой; 3 – приспособление для крепления детали; 4
– вибратор; 5 – пневмоупругие элементы; 6 – устройство поджатия; 7 – амортизаторы; 8 – компрессор; 9 – ресивер; 10 – регулятор давления; 11 – трубопровод; 12 – виброизмерительный прибор ВИ-6-5М12; 13 – персональный
компьютер; 14 – датчики виброускорения; 15,16 – манометры; 17 – клапан; 18 –
измеритель мощности К50
В третьем разделе разработана физическая, динамическая и математическая модель технологической системы с упругим креплением детали в контейнере. Обоснованы допущения, сформированы начальные условия, разработан интерфейс моделирования. Теоретически исследованы траектории
циркуляционных и виброударных перемещений, продолжительность, угол,
фаза и скорости виброударных перемещений частиц инструментальной среды для пяти режимов работы оборудования с жестким и упругим креплением
упрочняемой детали.
Исследованы энергетические параметры периодических соударений
пограничного слоя инструментальной среды с различными участками жестко
и упруго закрепленной детали с экранами (рис. 2).
Фазовая картина взаимодействия вибрирующих частиц инструмента
друг с другом, с поверхностями детали и контейнера следующая. При жестком креплении детали в контейнере они перемещаются совместно. При упругом креплении детали в контейнере перемещения контейнера отстают от перемещений детали на фазовый угол   160  180 . Законы движения детали
и контейнера для режима с жестким креплением одинаковы, для режимов
№ 2 и № 3 при моделировании учитывается фазовый угол отставания перемещений контейнера относительно детали.
6
а)
б)
в)
Рис. 2. Схема закрепления детали в контейнере при моделировании: а)
– жесткое крепление детали в контейнере, режим №1; б) – упругое крепление
детали в контейнере с поджатием упругих элементов, режимы № 2 , №4; в) –
упругое крепление детали в контейнере с закрепленными к детали экранами,
режимы №3, № 3.1φ
При упругом креплении детали деталь и инструментальная среда двигаются почти в одном направлении. Поэтому возникают малая скорость соударения и низкие технологические параметры. Для устранения этого недостатка на расстоянии 10-15 диаметров шариков на подвижной системе детали
устанавливаются экраны, в результате фазовый угол движения частиц в пограничном слое детали становится встречным   160  180 , скорости соударения возрастают и технологические параметры повышаются.
При компьютерном моделировании исследовали семь режимов, параметры которых представлены в таблице (частота колебаний   157 с-1, собственная частота 0  147,58 - 175,7 с-1, амплитуды колебаний детали
контейнера A к указаны в сантиметрах.
Параметры исследованных режимов
№ Характеристика режима
1
2
2
3
Aд
Aк
С жестким креплением детали  к  0
С упругим креплением детали  к  97 
0,5
0,5
0,5
0,3
С упругим креплением детали  к  180 
С упругим креплением и экраном  к  97 
С упругим креплением, прерывистым экраном к  97 
0,5
0,5
0,5
0,5
0,6
0,6
0,3
0,3
0,5
0,3
3.1
3.1 С упругим креплением, экраном   180 
к
4
Aд
С упругим креплением детали (эксперимент)
7
и
Диаметр макета детали 80 мм, длина 100 мм. Масса подвижной системы детали m1 = 15,25 кг. Габаритные размеры контейнера: высота 240 мм;
ширина 263 мм. Для повышения эффективности процесса виброударного упрочнения к упруго закрепленной к контейнеру детали устанавливаются экраны различной формы и размеров (рис. 2, в).
Наибольшую скорость колебаний V=100 см/с имеют режимы № 3 и
№ 3.1φ при упругом креплении в контейнере детали с экраном. Наименьшими скоростями обладает режим № 2 с фазовым углом колебаний контейнера φк  180 (рис. 2, а). Большая часть сплайнов детали имеет фазовый угол
соударений с частицами среды    170 - 190 , оптимальный для получения
максимальной энергии соударений. Средние скорости соударений детали с
частицами V = 50–68 см/с. Наибольшую скорость V = 88 см/с имеет режим
№ 3 (рис. 3, а), сплайновые скорости V = 35–125 см/с.
Наибольшие средние значения энергии соударений возникают при режиме № 2 : Э  =7500 Дж. Режимы № 1, № 2, № 3 и № 3 (таблица) характеризуются одинаковыми значениями Э  = 3100-3600 Дж. Режим № 4 – заниженным средним значением Э  = 2600 Дж (рис. 3, б).
а)
б)
Рис. 3. Изменение средней энергии соударений (Дж) (а) и сплайнового
распределения энергии соударений в режиме № 3 (б)
В четвертом разделе разработана физическая и математическая модель, приведены закономерности изменения средних и сплайновых значений
формирования параметров шероховатости, остаточных напряжений первого
рода и наклепа при жестком и упругом креплении детали к контейнеру без
применения экранов и с их применением. При упругом креплении детали высота микронеровностей для j-го участка детали с учетом отстройки от резонанса характеризуется уравнением:
Э д j  Э чi  Э к l
Rz од
Rz j  Rz исх - k зи
 Rz( N  ), мкм,
(1)

0,5  HM д D ч
8
Эдl  mд j (Ад j cosд j )2,
Эчj 
mчi (Ачi cosчj )2
(2)
,
(3)
Экl  mкl (Акl cosкl )2 ,
(4)
 T - (1- R)
Ф
где Rz исх – исходная высота микронеровностей детали; k Rz
зи - коэффициент
зернистости абразивных гранул или других частиц (для стальных шариков
k Rz
зи =1); m ч – масса частицы; А д j ; А к l , А ч i – амплитуда колебаний j-го участка детали, l-го участка контейнера, i-й частицы; ω0д , ω0к –частота колебаний
детали и контейнера; ε д j , ε к l , ε чi – фазовый угол соударений j-го участка де (Т ) – функция подвижтали, l-го сплайна детали, контейнера с i-й частицей; Ф
ности вибрирующих частиц; R – коэффициент восстановления скорости соударений.
В уравнениях (1-4) средние значения амплитуд колебаний детали,
контейнера и частиц определяются с учетом упругого крепления детали и отстройки собственных частот колебаний детали 0д и контейнера 0к от частоты  вынужденных колебаний:
Ад 
mвrв2




Gд (1 - (mд02д )/(Gк - mк20к ) 2 2д (1 - mд02д ) /(Gк - mк20к )2 2


А к  А д (m д ω 20д )/(G к  m к ω 20к ) ,
А ч  Fмод (А к , А д , А экр ),
,
(5)
(6)
(7)
где m в , rв ,  – масса, эксцентриситет и частота вибратора; G д , G к – жесткость
упругих элементов подвижных систем детали и контейнера; mд , mк – приведенная масса детали и контейнера;  д – коэффициент рассеяния энергии подвижной системы детали; Fмод – функция моделирования амплитуды частиц.
Средние значения распределения среднеарифметической высоты профиля микронеровностей для всех режимов примерно одинаковые и находятся
в диапазоне 9-11 мкм (рис. 4, а). Максимальное значение погрешности значений распределения среднеарифметической высоты профиля микронеровностей показал режим № 2 – до 15 %. Относительные погрешности Rz остальных режимов 4–7 %.
9
а)
б)
Рис. 4. Изменение среднего (а) и сплайнового (б) распределения среднеарифметической высоты Rz (мкм) профиля микронеровностей в сечении
макета детали (режим № 3.1, начало отсчета 9,6 мкм)
Сжимающие остаточные напряжения первого рода для j-го участка при
упругом креплении детали с учетом отстройки от резонанса:
1


-0.8
ω
r r
σ-оij  k σ од (Эτ ( д ч )-3 ) 5 (1 - ν 2д )Е д  (1 - ν 2ч )Еч
σо (N τ ), МПа. ,
ij r  r
ω
д
ч
(8)
где k σ – коэффициент упрочнения материала детали; rд , rч – радиусы контактирующих поверхностей детали и частицы (см); ν, Е – коэффициент Пуассона,
модуль упругости; σо ( N τ ) – функция повышения остаточных напряжений при
совмещенном отпечатке.
Наибольшее среднее значение сжимающих остаточных напряжений
возникает в режиме № 2 – до 970 МПа. Для режимов № 1, № 2φ, № 3.1φ и №
4 различаются не значительно – от 610 до 650 МПа; режим № 3.1φ показал
наименьшие значение 580 мкм (рис. 5, а).
а)
б)
Рис. 5. Изменение средних (а) и сплайновых (б) сжимающих остаточных напряжений первого рода σ -0 (МПа) в сечении макета детали (режим
№ 3.1, начало отсчета на эпюре 310 МПа )
10
Сплайновое распределение сжимающих остаточных напряжений первого рода имеет более неравномерную закономерность: относительная погрешность достигает 40-56 % (рис. 5, б, начало отсчета 310 МПа).
Наибольшая степень наклепа поверхностного слоя возникает в режимах № 3 и № 3.1: до 8,5%. Относительные погрешности степени наклепа
HU для режимов № 1, № 2, № 2φ, № 3.1, № 3.1φ и № 4 изменяются в узком
диапазоне: от 7,5 до 8,3%.
В пятом разделе приведены результаты экспериментальных исследований массовых, упругих, диссипативных, амплитудо-фазо-частотных характеристик, динамической стабильности, вибрационного воздействия на основание, потребляемой мощности. Представлены методики проектирования
технологии и расчета виброустановки резонансного типа, модернизации виброустановки ВУД-2500.
При увеличении давления воздуха в буферных пневмоупругих элементах [1], при постоянном их поджатии жесткость их повышается, амплитуды
колебаний подвижных систем детали и контейнера изменяются по экстремальной зависимости (рис. 6). В до резонансной исходной отстройке она
уменьшается, в за резонансной исходной отстройке – повышается. При увеличении фиксированного поджатия пневмоупругих элементов жесткость повышается в связи с увеличением площади опорной поверхности, в результате
изменение амплитуды от поджатия аналогично зависимости ее от давления.
Амплитуда основания при увеличении давления изменяется в меньшей мере.
Рис. 6. Зависимости амплитуды колебаний подвижных систем детали и
контейнера от давления воздуха в пневматических буферных упругих элементах при постоянном их поджатии (верхнего h в =95 мм, нижнего hн =85 мм)
и фиксированной частоте вынужденных колебаний
Динамическая устойчивость процесса виброударного упрочнения характеризуется изменением амплитуды колебаний подвижной системы детали
при увеличении или уменьшении массы инструментальной среды при фикси11
рованной исходной отстройке от резонанса.
При отстройке  /  0 ≈ 0,9 с увеличением массы инструментальной
среды амплитуда колебаний подвижной системы детали убывает из-за
уменьшения ее собственной частоты (рис. 6).
Экспериментально установлено, что при давлении в пневмоупругих
элементах P=0,25 МПа с увеличением массы от 30 до 40 кг амплитуда колебаний детали уменьшается с 4,2 до 3,4 мм, амплитуда контейнера уменьшается с 3,5 до 3,0 мм. При уменьшении массы с 30 до 26 кг амплитуда детали
возрастает с 4,2 до 4,7 мм; амплитуда контейнера снижается с 3,5 до 3,1 мм
(рис. 7). При отстройке в до резонансной области  / 0 ≈ 0,9, при упругом
креплении детали за счет применения пневмоупругих элементов с буферной
нелинейной жесткостью обеспечивается следующая стабильность. При плавном увеличении массы инструментальной среды на 33 % амплитуда подвижной системы детали уменьшается на 23 %, а амплитуда контейнера – на 13 %.
При плавном уменьшении массы инструментальной среды на 15 %, амплитуда подвижной системы детали возрастает на 12 %, амплитуда контейнера
уменьшается на 13 %.
Рис. 7. Зависимость амплитуды колебаний подвижных систем детали и контейнера от изменения массы инструментальной среды ( m исх  30 кг)
Рис. 8. Изменение шероховатости
Ra
(мкм)
образцовсвидетелей до и после виброударной обработки
Экспериментальные исследования формирования параметра шероховатости Ra показали, что у образцов в левой и правой части макета детали Ra
снизилась в 1,5-1,8 раза (рис. 8). В верхней части макета детали Ra снизилась
на минимальную величину 1,3 раза из-за малой толщины слоя среды. На образцах,закрепленных в нижней и правой нижней части макета детали Ra
снизилась на максимальную величину в 2,1-2,5 раза в связи повышенной
плотностью частиц инструментальной среды.
Общий вид модернизированной виброустановки виброустановки с упругим креплением упрочняемой детали в контейнере, резонансного типа
ВУД-2500-Р, с пневматическими буферными упругими элементами представлен на рис. 9.
12
Рис. 9. Общий вид модернизированной виброустановки резонансного
типа ВУД-2500-Р с упругим креплением детали и с пневматическими буферными упругими элементами: 1 – упрочняемая деталь; 2 – дебалансный вал; 3
– пневмоупругие элементы подвижной системы детали; 4 – пневмоупругие
амортизаторы контейнера; 5 – контейнер; 6 – основание; 7 – гибкая муфта; 8 –
двигатель; 9 – откидной механизм подвижной системы детали; 10 – люк для выгрузки инструментальной среды
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ОБЩИЕ ВЫВОДЫ
1. Исследование разработанных математических моделей периодических перемещений контейнера и упруго закрепленной детали в близко резонансном режиме, соударений с ней частиц инструментальной среды позволили теоретически обосновать и экспериментально подтвердить эффективность
виброударного упрочнения в новой технологической системе, которая обеспечивает требуемые показатели качества поверхностного слоя, удовлетворительную стабильность процесса, допустимое вибрационное воздействие на
основание и снижение потребляемой мощности привода.
2. Решение математических моделей формирования шероховатости, остаточных напряжений и наклепа в поверхностном слое упруго закрепленной
детали в близко резонансном режиме показало, что за счет установки экрана
на подвижной системе детали, энергия периодических соударений частиц
инструментальной среды с деталью увеличивается на 30-40%, технологические показатели качества поверхностного слоя повышаются на 12-15%.
3. Экспериментальные исследования подтвердили, что при исходной до
резонансной отстройке на 10-15%, при уменьшении массы инструментальной
среды до 15-20 %, за счет нелинейных упругих элементов обеспечивается
требуемая стабильность показателей качества поверхностного слоя, а при
увеличении массы среды на указанную величину происходит срыв режима в
неустойчивую область и недопустимые погрешности обработки.
13
4. Экспериментальные исследования показали, что при до резонансной
отстройке подвижной системы детали на 10-15 % и далеко за резонансной
отстройке подвижной системы контейнера на 200-300 % и более, вибрационное воздействие на основание не превышает 5-7 % от амплитуды колебаний детали и соответствует допустимым санитарным нормам.
5. Указанные в п. 4 настройки обеспечивают снижение на 50-70 %
удельной мощности привода вибратора на единицу амплитуды колебаний
подвижной системы детали по отношению к жесткому креплению детали и
упрочнению в за резонансном режиме.
Основные результаты НИР опубликованы в следующих работах:
Публикации в изданиях, рекомендованных ВАК РФ
1. Мерчалов, А. С. Эффективность виброударного упрочнения с упругим
креплением крупногабаритных деталей авиационного производства в близко резонансных режимах [Текст] / А. С. Мерчалов // Упрочняющие технологии и покрытия. – М.: Машиностроение. – 2013. – № 12(108). – С. 9–14.
2. Копылов, Ю. Р. Динамические свойства виброупрочняющей установки резонансного типа при упругом креплении детали в контейнере [Текст]
/ Ю. Р. Копылов, А. С. Мерчалов // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. – Орел: ФГБОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК». –
2013. – № 4 (300). – С. 79–84.
3. Мерчалов, А. С. Экспериментальное исследование формирования шероховатости поверхностного слоя детали при виброударном упрочнении с упругим креплением детали в контейнере [Текст] / А. С. Мерчалов // Фундаментальные исследования. М. – 2013. – № 10-6. – С. 1215 -1218.
Статьи и материалы конференций
4. Мерчалов, А. С. Виброударное упрочнение с близкорезонансным режимом работы оборудования [Текст] / А. С. Мерчалов // Авиакосмические технологии (АКТ-2009) : труды X Всерос. науч.-техн. конф. и школы молодых
учёных, аспирантов и студентов. – Воронеж : ГОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2009.– С. 101 – 105.
5. Копылов, Ю. Р. Математическое моделирование близко резонансных
режимов виброударного упрочнения крупногабаритных деталей [Текст] / Ю. Р.
Копылов, А. С. Мерчалов // труды XI Всерос. науч.-техн. конф. и школы молодых ученых, аспирантов и студентов (АКТ-2010). Воронеж: ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2010. – С. 83– 87.
6. Копылов, Ю. Р. О возможности использования близко резонансных
режимов при виброударном упрочнении крупногабаритных деталей [Текст] /
Ю. Р. Копылов, А. С. Мерчалов // Управляемые вибрационные машины и технологии : труды IХ Междунар. науч.-техн. конф. – Курск : Курск. гос. техн.
ун-т, 2010. – С. 202–207.
7. Копылов, Ю. Р. Экспериментальные исследования близко резонансных режимов работы виброупрочняющего станка [Текст] / Ю. Р. Копылов, А.
С. Мерчалов // Авиакосмические технологии (АКТ-2011) : труды XII Всерос.
14
науч.-техн. конф. и школы молодых ученых, аспирантов и студентов. – Воронеж : ГОУВПО «Воронежский государственный технический университет», 2011. – С. 46 – 51.
8. Мерчалов, А. С. Исследование близкорезонансных режимов работы
виброударной установки ВУРТ–3М [Текст] / А. С. Мерчалов, -А. А. Кожевников // Авиакосмические технологии (АКТ-2012) : труды XIII Всерос. науч.техн. конф. и школы молодых учёных, аспирантов и студентов. –Воронеж :
ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»,
2012. – С. 29–30.
9. Копылов, Ю. Р. Исследование амплитудо-фазо-частотных характеристик резонансного вибростанка [Текст] / Ю. Р. Копылов, А. С. Мерчалов, А.
А. Кожевников // Управляемые вибрационные технологии и машины (ВИБРАЦИЯ–2012) : материалы Х Междунар. науч.–техн. конф. – Курск : ЮгоЗападный государственный университет, 2012. – С. 279–284.
10. Копылов, Ю. Р. Виброударное упрочнение длинномерных деталей
[Текст] / Ю. Р. Копылов, А. С. Мерчалов, А. А. Кожевников // Фундаментальные и прикладные проблемы модернизации современного машиностроения и
металлургии : материалы Междунар. науч.–техн. конф. – Липецк : ЛГТУ,
2012. – С. 195–199.
11. Мерчалов, А. С. Исследование динамических свойств виброупрочняющей установки резонансного типа [Текст] / А. С. Мерчалов // Инновационные технологии и технические средства для АПК : материалы науч. конф. – Воронеж:
ФГБОУ ВПО «ВГАУ им. императора Петра I», 2013. – С. 56–60.
12. Мерчалов, А. С. Формирование поверхностного слоя при виброударном упрочнении крупногабаритных деталей в близко резонансном режиме [Текст] / А. С. Мерчалов, Ю. Р. Копылов // Наукоемкие комбинированные и виброволновые технологии обработки материалов : материалы
Междунар. науч.–техн. конф. – Ростов на/Д: Изд. Центр ДГТУ, 2013. – С.
218–225.
13. Копылов, Ю. Р. Динамика близко резонансных режимов виброударного упрочнения крупногабаритных деталей [Текст] / Ю. Р. Копылов, А.
С. Мерчалов // Авиакосмические технологии (АКТ–2013) : труды XIV Всерос. науч.–техн. конф. и школы молодых ученых, аспирантов и студентов. –
Воронеж: ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2013. – С. 96–102.
15