способ вибрационной обработки осесимметричных длинномерных деталей и устройство для его осуществления

Формула изобретения

1. Способ вибрационной обработки осесимметричных длинномерных деталей в виде вала, включающий установку вала на опоры и нагружение его переменными изгибающими и крутящими моментами на резонансных частотах, отличающийся тем, что резонансные частоты определяют из переходного процесса при ступенчатом изменении частоты прикладываемых к валу вибраций, вибрационную обработку проводят с управлением параметров вибраций по длине вала в режиме амплитудной модуляции и регулированием жесткости опор по всем направлениям обработки вала на основе данных о распределении тепловых полей, параметрах вибраций и деформациях в рабочих продольном и поперечных сечениях вала, задают максимальную амплитуду колебаний в сечениях вала с максимальной температурой, которые определяют по данным о распределении тепловых полей, при этом в качестве рабочего продольного сечения вала, в котором проводят обработку изгибными моментами, принимают плоскость, соответствующую максимальной нагрузке на приводе в момент проворачивания вала в вибровозбудителе с приложением переменной нагрузки, а в качестве рабочих поперечных сечений вала - сечения, соответствующие узлам и пучностям с максимальной достижимой рабочей гармоникой.

2. Устройство для вибрационной обработки осесимметричных длинномерных деталей в виде вала, содержащее дебалансные массы, размещенные на рычагах по разные стороны от оси вала, вибровозбудитель и опоры, отличающееся тем, что дебалансные массы расположены на одной оси и выполнены с возможностью вращения с разной скоростью и обеспечения заданного углового положения относительно друг друга, опоры выполнены упругими по трем координатам с регулятором жесткости на каждой из них, вибровозбудитель выполнен в виде мультипликатора, фиксируемого на валу с возможностью обеспечения вращения вала в вибровозбудителе, соединенного с приводами вращения рычагов посредством гибких шлангов и снабженного системой автоматического управления частотой, амплитудой и формой колебаний.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что система автоматического управления частотой, амплитудой и формой колебаний имеет четыре контура управления, причем первый контур снабжен датчиками температуры материала вала, второй контур - датчиками мощности на приводах вибровозбудителя, третий контур - датчиками колебаний по всем рабочим координатам, а четвертый контур - датчиками деформаций, причем датчики первого, третьего и четвертого контуров расположены в одних и тех же сечениях.

Описание изобретения к патенту

Предлагаемые изобретения относятся к области металлообработки, в частности к изготовлению длинномерных маложестких осесимметричных валов, и может быть использовано в механосборочных предприятиях.

Известен способ снятия внутренних напряжений в металлических деталях, включающий предварительное нагружение детали сосредоточенной массой, величина которой составляет 0,03-50 величины массы обрабатываемой детали и последующую вибрацию детали при резонансной частоте [Авторское свидетельство СССР № 559970, C21D 1/30, 1977 г.].

Недостатком данного способа является ограниченность его применения для обработки валов малой жесткости из-за больших прогибов под действием сосредоточенной массы.

Известен способ вибрационной обработки валов, наиболее близкий к заявляемому изобретению и выбранный в качестве прототипа, включающий установку вала вертикально в стапеле с предварительным статическим его нагружением, воздействие изгибающих и крутильных колебаний, прикладываемых эксцентрично его оси, на резонансных частотах на те поперечные сечения вала, в которых расположены зоны пучностей определенных частот колебаний, при этом к одному из торцов вала дополнительно прикладывают крутильно-продольные колебания [Патент РФ № 2254192, B21D 3/16, 2005].

Недостатком данного способа является отсутствие информации о ходе обработки, протекании релаксационных процессов по длине и сечениям детали, сложность используемой конструкции.

Известно устройство для вибрационной обработки деталей типа вал, содержащее механический привод с поводком в виде призмы, направляющие, скользящие опоры двух видов, жесткие и упругие, при этом призма соединена через рычажно-шатунный механизм с кривошипным приводом, шатун выполнен с возможностью смещения вдоль рычагов, а на торце заготовки закреплен упругий преобразователь, на который воздействует электромеханический вибратор [Патент РФ № 2254192, B21D 3/16, 2005].

Недостатком данного устройства является ограниченность технологических возможностей из-за демпфирования колебаний опорами на разных режимах обработки, неравномерность снижения остаточных напряжений по сечениям заготовки из-за отсутствия информации о процессе релаксации.

Известно устройство для вибрационной обработки длинных валов, наиболее близкое к заявляемому изобретению и взятое за прототип, содержащее платформу для размещения на ней вала, дебалансный вибровозбудитель, выполненный с возможностью размещения вблизи одного из торцов вала с использованием промежуточного рычага, размещаемого непосредственно на валу, и рычажно-маятниковые механизмы, каждый из которых содержит маятниковый рычаг и сосредоточенную массу, причем эти механизмы выполнены с возможностью размещения справа и слева от оси вала [Авторское свидетельство СССР № 1230715, B21D 3/16, 1986].

Недостатком данного устройства является ограниченность технологических возможностей из-за трудностей регулировки амплитудных деформаций, использования только крутильных колебаний, отсутствие информации о ходе виброобработки и невозможность оперативно и максимально быстро учитывать изменяющиеся условия обработки.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении эффективности и производительности обработки маложестких длинномерных деталей типа вал с достижением следующих технических результатов: повышении степени стабилизации геометрии вала в межоперационный и эксплутационный периоды за счет максимального снижения уровня остаточных технологических напряжений и обеспечения его равномерности, повышение однородности физико-механических свойств по продольным сечениям заготовки за счет изменения положения плоскости действия изгибающих моментов относительно оси заготовки, равномерное снижение остаточных напряжений по длине детали за счет амплитудно модулированного воздействия на заготовку, общее снижение времени обработки из-за сокращения промежуточных, стабилизирующих структуру материала операции, снижение энергоемкости процесса изготовления вала за счет исключения термических стабилизирующих операций.

Эта задача решается тем, что в способе вибрационной обработки осесимметричных длинномерных деталей, включающий установку вала на опоры и нагружение его переменными изгибающими и крутящими моментами на резонансных частотах, резонансные частоты определяют из переходного процесса при ступенчатом изменении частоты прикладываемых к валу вибрации, а саму обработку проводят с управлением параметров вибрации по длине вала в режиме амплитудной модуляции и регулированием жесткости опор по всем направлениям обработки вала на основе данных о распределении тепловых полей, параметрах вибраций и деформациях в рабочих продольных и поперечных сечениях вала, при этом данные о распределении тепловых полей используют для выявления сечений с максимальной температурой, в которых задают максимальную амплитуду колебаний, причем в качестве рабочей продольной плоскости, в которой проводят обработку изгибными моментами, используют ту, которая соответствует максимальной нагрузке на приводе в момент проворачивания вала в вибровозбудителе с приложением переменной нагрузки, а в качестве рабочих поперечных сечений используют те, которые соответствуют узлам и пучностям с максимальной достижимой рабочей гармоникой.

Определение резонансных частот по переходному процессу при ступенчатом изменении частоты прикладываемых вибраций повышает производительность обработки за счет совмещения диагностики параметров системы и переключения рабочих режимов.

Управление параметрами колебаний по длине вала за счет амплитудной модуляции позволяет прорабатывать разные участки только за счет изменения режима работы вибровозбудителя без необходимости менять его положение на валу.

Управление жесткостью опор по всем направлениям, в которых проходит виброобработка вала снижает энергоемкость при любых формах колебаний за счет минимального демпфирования в опорах.

Проведение обработки на основе данных о распределении тепловых полей позволяет определить особо напряженные участки вала по наиболее интенсивному тепловыделению, а также оценивать ход виброобработки по характеру изменения тепловых потоков, а также повысить надежность определения колебательных смещений по длине вала; на основе данных о параметрах вибраций (амплитуде и частоте) создаются максимально эффективные условия обработки на особо напряженных участках вала; а на основе данных о деформациях по продольным и поперечным сечениям вала в процессе и после виброобработки прогнозируется поведение детали в последующий период за счет возможности определения уровня начальных напряжений и напряжений, вносимых короблением вала.

Использование данных для управления параметрами колебаний позволяет учитывать изменение условий обработки, поскольку процесс релаксации происходит неравномерно по времени и сечениям вала, а для управления жесткостью опор позволяет снизить энергоемкость процесса виброобработки путем обеспечения для любых режимов виброобработки минимального демпфирования.

Задание максимальной амплитуды колебаний в сечениях с максимальной температурой при виброобработке дает возможность проработать особо напряженные участки вала наиболее интенсивно.

Поворот в начале обработки вала в вибровозбудителе с приложением переменной нагрузки и определение продольной плоскости, где нагрузка на приводе максимальная, позволяет выявить участок вала с максимальными осевыми напряжениями.

Основная виброобработка изгибными моментами в плоскости с максимальными осевыми напряжениями позволяет наиболее быстро снизить общий уровень остаточных напряжений.

Выбор числа поперечных сечений для контроля процесса виброобработки по числу узлов и пучностей максимально достижимой рабочей гармоники колебаний дает возможность наиболее точно контролировать ход процесса при любых режимах.

Эта задача решается также тем, что в устройстве для вибрационной обработки осесимметричных длинномерных деталей, содержащем дебалансные массы, размещенные на рычагах по разные стороны от оси вала, вибровозбудитель и опоры, дебалансные массы расположены на одной оси и выполнены с возможностью вращения с разной скоростью, а также обеспечения заданного углового положения относительно друг друга, а опоры выполнены упругими по трем координатам с регулятором жесткости на каждой из них, причем вибровозбудитель выполнен в виде мультипликатора, фиксируемого на валу с возможностью обеспечения его вращения в вибровозбудителе, соединенного с приводами вращения рычагов через гибкие валы и снабженного системой автоматического управления частотой, амплитудой и формой колебаний. Эта система может иметь четыре измерительных контура, причем первый контур снабжен датчиками температуры материала вала, второй контур - датчиками мощности на приводах вибровозбудителя, третий контур - датчиками колебаний по всем рабочим координатам, четвертый контур - датчиками деформаций, причем датчики третьего и четвертого контура располагают в одних сечениях, и три контура управления - управление по частоте вращения рычагов, углу их относительного поворота и жесткости опор.

Размещение рычагов по разные стороны от оси вала позволяет создавать как изгибные колебания при синфазной работе дебалансных масс, так и крутильные колебания при противофазной работе.

Дебалансные массы на одной оси упрощают конструкцию вибровозбудителя за счет более простой компоновки и уменьшают его габариты.

Возможность вращения рычагов с дебалансными массами с разной скоростью дают возможность прорабатывать вал одновременно на разных частотах, а также модулировать амплитуду колебаний по длине детали, что позволяет проработать ее в различных необходимых сечениях.

Дебалансные массы с возможностью обеспечения заданного относительного поворота друг друга позволяют изменять форму колебаний (создавать продольные, изгибные, крутильные колебания, а также комбинировать их), что способствует более равномерной проработке заготовки по сечениям.

Упругие опоры позволяют дополнительно снизить энергоемкость за счет минимального гашения колебаний.

Упругие опоры по трем координатам позволяют снизить энергоемкость обработки при различных формах колебаний заготовки за счет минимального гашения колебаний.

Регулятор жесткости опор снижает энергоемкость при различных частотах путем подстройки параметров опор под изменяющиеся частоты.

Фиксация вала с возможностью его вращения в вибровозбудителе повышает эффективность проработки по периметру детали за счет изменения плоскости действия максимального момента.

Вибровозбудитель в виде мультипликатора позволяет повысить частоту проработки заготовки.

Соединение приводов с вибровозбудителем через гибкие валы снижает инерционность установки и соответственно увеличивает рабочие частоты, при которых может проходить проработка заготовки.

Система автоматического управления повышает эффективность виброобработки путем изменения технологических параметров с учетом текущих условий обработки.

Система автоматического управления частотой снижает энергоемкость процесса виброобработки за счет подстройки на резонансные частоты и работы на максимальных амплитудах.

Четыре контура управления повышают надежность работы системы за счет дублирования информации об амплитудных смещениях и зонах проработки детали, расширяет технологические возможности устройства.

Датчики температуры материала заготовки позволяют повысить эффективность обработки за счет более равномерной проработки детали по длине и по поперечным сечениям, определения напряженных участков.

Датчики мощности на приводах вибровозбудителя повышают производительность за счет отслеживания резонансных частот и оперативного изменения частот при прекращении релаксации напряжений.

Датчики колебаний по всем рабочим координатам повышают производительность за счет определения параметров колебаний в разных сечениях при различных режимах обработки.

Датчики деформаций расширяют технологические возможности устройства за счет прогнозирования формы вала путем определения остаточных напряжений вносимых виброобработкой.

Датчики температуры, колебаний и деформаций в одних сечениях упрощают устройство за счет их совмещения на одной базе.

Предлагаемое изобретение иллюстрируется чертежами, где на фиг.1 приведена схема способа виброобработки, на фиг.2. показаны первые три гармоники колебаний, на фиг.3 приведен общий вид устройства для виброобработки деталей с функциональной схемой системы автоматического управления, на фиг.4 - схема маркера, на фиг.5 - схема настройки небалансов напротив друг друга, на фиг.6 - схема настройки дебалансов в одном направлении, на фиг.7 - 8 - эпюры напряжений в заготовке при настройке дебалансов, соответствующей схемам, изображенных на фиг.5-6.

Способ виброобработки производят следующим образом. Вал 1 (фиг.1) размещают в вибровозбудителе 2 дебалансного типа и устанавливают в опорах 3. После включения вибровозбудителя 2 в режим изгибных колебаний на произвольной частоте n_2,3 вал 1 проворачивают в нем с частотой n₁, а на датчике 4 привода 5 определяют максимальную нагрузку, а в блоке управления (не показан) соответствующую ей плоскость вала 1. После этого вал 1 фиксируют от проворачивания в положении, где была определена максимальная нагрузка. После этого частоту вибровозбудителя 2 ступенчато меняют несколько раз, и по переходному процессу затухающей составляющей собственных колебаний, измеряемых вибродатчиками 6 в зонах и узлах пучностей вала, определяются первые собственные гармоники колебаний вала 1. После этого задают частоту вибровозбудителя, соответствующая одной из собственных гармоник колебаний вала. После начала виброобработки регистрируют распределение теплового поля по длине вала термодатчиками 7. По зонам пучностей колебаний определяются зоны максимального нагрева вала. После чего подбирается режим обработки по частотам для обеспечения максимальной амплитуды в сечениях, где эта температура максимальна. Для этого частота воздействия вибровозбудителя может разделяться на две гармоники за счет отдельных приводов (фиг.2). Путем амплитудной модуляции колебаний в наиболее прогретых сечениях осуществляется проработка с максимальной интенсивностью по амплитуде. При виброобработке вибровозбудитель 2 переходит на другой режим работы ступенчатым переключением с целью уточнения резонансных частот по переходному процессу. Проработка сечений вала 1 осуществляется переключением режима работы вибровозудителя с одной формы колебаний после его полной остановки. После этого по датчикам деформаций 8 определяют зоны максимального коробления вала, причем как изгибные, так и крутильные деформации. При дальнейшей обработке основное воздействие направляют на другие, менее проработанные, участки вала 1. По величине коробления вала определяются остаточные напряжения, которые релаксировали, и остаточные напряжения, которые возникли из-за деформации вала. В дальнейшем механическую обработку вала ведут с учетом полученного распределения остаточных напряжений.

Устройство для виброобработки (фиг.3-6) содержит электромеханические приводы 9, которые связаны через гибкие шланги 10 с мультипликатором 11 с выходными валами 12 и 13, расположенными соосно относительно друг друга и противоположно относительно отверстия 14, через которое пропускается заготовка 15. На валах 12 и 13 установлены с возможностью регулирования величины эксцентриситета дебалансные массы 16 и 17. Заготовка 15 устанавливается в упругие опоры 18. Устройство содержит систему автоматического управления, которая имеет четыре измерительных контура и три канала управления. Первый измерительный контур имеет датчик мощности 19 на приводах 9, усилитель 20, сравнивающее устройство 21, задатчик мощности 22, преобразователь 23, входящий в первый контур управления. Второй и третий измерительные контуры включают датчики температуры 24 (например - термопары), усилитель 25, задатчик температуры 26, блок управления 27, датчики смещений 28 изгибных и крутильных колебаний (например, акселерометры в соответствующих направлениях) и задатчик колебаний 29. Четвертый измерительный контур включает датчики деформаций 30 вала, установленных на маркерах 31. Второй контур управления имеет регулятор жесткости опор 32. Третий контур имеет регулятор 33 относительного положения дебалансных масс 16, 17.

Устройство для виброобработки работает следующим образом. Заготовка 15 пропускается через отверстие 14 и фиксируется в нем захватом (не показан). Включается привод 9. Предварительно устанавливаем величину и относительное положение дебалансных масс 16 и 17 (фиг.5-6), создающих поперечные силы F^1,2 _a. При обработке изгибными колебаниями заготовки дебалансные массы 16 и 17 вращаются синфазно с одинаковой частотой. При неравенстве величины дисбаланса (при одинаковой частоте вращения валов) возникает дополнительная крутильная компонента, величина которой максимальна при противоположном положении дебалансных масс 16 и 17. Соответственно формируются различные комбинации нагрузок (фиг.7-8). Возможна обработка при вращении рычагов с разной частотой. Первый вариант: частоты вращения не кратны друг другу, тогда формы колебаний неустойчивы из-за все время меняющегося относительного положения дебалансных масс. Второй вариант: частоты кратны друг другу. Тогда возникает картина устойчиво модулированных по амплитуде смещений по длине детали. За счет использования различных гармоник увеличивается длина интенсивно прорабатываемых участков заготовки из-за большего числа зон пучностей. Резонансные частоты определяются при ступенчатом изменении скорости вращения рычагов. По переходному затухающему процессу в блоке управления приводом вращения определяют собственные частоты, причем выделяют первые три гармоники. Измерение нагрузки на приводе датчиком мощности 19 дает возможность определить резонансные частоты, при которых происходит падение нагрузки. На этих частотах соответственно ведется виброобработка с максимальной амплитудой. При релаксации напряжений в материале заготовки 15 нагрузка на приводе изменяется. Сравнивая максимальное значение в задатчике 22 с текущим, ведут подстройку частоты привода 9 через блок управления 27. При остановке изменения нагрузки идет переключение блоком управления 27 на другую частоту. Датчиками температуры 24 (термопарами) измеряется текущая температура сечений вала по его длине с целью определения положения участков с максимальной и минимальной температурой, что соответствует максимально и минимально прорабатываемым участкам заготовки 15. Для максимально равномерной проработки вала по длине изменяют относительное положение и величину дебалансных масс 16, 17 регулятором 33, а также частоту вращения рычагов. Изменение положения пучностей и узлов по длине заготовки 15 приводит к изменению зон ее нагрева. Регулятором жесткости опор 32 изменяют их коэффициент жесткости таким образом, чтобы коэффициент демпфирования колебаний вала был минимальным, а амплитуда - максимальная.