Исследование динамики и разработка методов расчета ручной виброшлифовальной машины тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

КУРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИССЛЕДОВАНИИ ДИНАМИКИ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА РУЧНОЙ ВМБЮШЛЙФОВАЛЬНОЙ МАШИНЫ

Специальность 01.02,06 - Динамика, прочность машин, приборов и

аппаратуры

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах шеи

Научный руководитель: заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Яцун С.Ф.

3 .ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВИБРОШЛИФОВ АЛЬМОЙ МАШИНЫ

3.1. Обработка различных матепиалов вибтюшлшЬовальной

~ " " 1 ' 4 " "....... I " 1 л

машиной в зависимости от типа применяемой шлифовальной шлифовальной бумаги 56

3.2. Определение динамических паоаметров виброшлифовально*

машины 1

¿.з. Сравнительным анализ экспериментальных и

иссдедовании

3.4.Выводы

АЛ

V )~Г

георегических

7Л

/ V

-71

/ х

к ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ

Л 1 л

т. 1 . / -

Удагггивная -система управления ручной шлифовальной

машиной

4.2. Питание вибропривода ручной шлифовальной машины

от источника постоянного тока

70 /

75

/1 1 / V,,

Способы уменьшении уровня вибрации, Бездействующе?

на руку оператора 4,4. Выводы по главе

79

о

Г} А V итдс

..»/ 114/ .1 1 Г I ь

оч>

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

со

о о

т >тл пга

О «Г

У -Р

Чг

ВВЕДЕНИЕ

Вибрационная техника и технологии с каждым годом расширяют область своего применения и занимают все более прочные позиции в различных отраслях промышленности, строительства, сельского хозяйства, бытовой и медицинской техники.

Успехи в развитии вибрационной техники в значительной степени предопределяются обстоятельной разработкой вопросов теории и практики,

В настоящее время большую гамму ручного электрического инструмента, в котором применяют вибрационные процессы, выпускаю! в России, Франции, Германии, США, Дании, Италии и других странах мира.

Особый интерес представляет инструмент с электромагнитным вибрационным приводом, который отличается простотой конструкции, пониженной энергоемкостью, высокой технологической эффективностью, низкой себестоимостью по сравнению с традиционными машинами одинакового назначения.

В 60-е годы велась активная реализация ряда важных отечественных изобретений: вибромолотов, вибропогружателей, установок для виброабразивной обработки различных деталей и других виброустройств, оказывающих важное влияние на повышение технического уровня соответствующего производства.

В эти же годы начали формироваться научные школы по вибротехнике. Стали выпускаться различные научные сборники, монографии, справочная

литература.

Целью диссертационной работы является повышение эффективности процесса плоского шлифования ручной виброшлифовальной машиной за счет разработки и создания электромагнитного вибропривода с адаптивной системой управления.

rtüf tf* tTfe 8в W = гГ» "-»лгвв^ввва es Л Л ГК rt rer Л f: b: II cTS *

\_/vnvDiibic j^/iaiH ilvi.jIсдimanни.

- paSuaUÖiKa рУЧНиЙ ИИ\)рОЩ,1 fMii?OHЗЛЬНОИ МйШйНЫ С ЙДВПТИВНОИ CMCi6" Ми И у Пр а н д €В ИЯ ВИирОПрИВОДа^

- и аЗГ> абоТКЯ С» и атеГИ к! Выбора С И CT 6 МЫ ЗДЙПТЙВНОГО VITO 'Л В Л СНЙЯ

i Г i F ' J i "

~ Р а л р <л 00TК Я \1 ЯТ С М с iill М С С К О >' М0Д6ЛИ pVHHOIl И йбрОШЛ И (р0 В Я jIЬ ? ЮИ МИШИНЫ С ЗДаПТЙВНОИ СИСТСМОй УПОаВЛvИМЯ ЭДбКТрОМЗГНйТКЫМ ТТрИВОДОМ.,

- раЗрабОТКа Программы ДЛЯ О СI УI С Н ИЯ МатематИЧССКОй МОДСЛй!

- проведение исследования динамических характеристик ручной виб-~0 о ш л ип»ов я л ъ нои машины и их знал из

i Г — - .

.I~iйучнйи Hi)Kif>H5i работы зак лючается в следующем.!

- разработана ручная и и боохо j »исЬов ал ь п я я машина с адаптивнои систе~

ц «А" 'Tfi^oTi ттрт г?жгт п.пат^тпл'» М отит лщттт т» я оумгпл тт/\л я •

Гт;п viiuoD-iiCui'iA 47j»viv i lAiiviai hyi i iudiivi nuiibu/iuivl,

- пазраоотана математическая модель тзучнои виотзохили^овальнои машины для плоско 1 о итлисЬоваиия с адаптивнои системой уиоавления элек~ громатнитным пт)иводс>м5 обесиечиваюихая иостоянн \то амилитуду i юреме~ щения рабочего отзгана;

1 § а"в Bs s? Л Ж t% Л В в Л 5fS Ss ЛПВ-Sf B^tfB ^ er в

llsiaK I ичс^лап »cniim ! D iiauu i ш

S ' * ж

'JürHrTTT TflT1! T гг Л ТТЛ-Т) 1 TTi JTJ ТГЛПЛ1Я OAQOlII ff T7f%fl TWAQfT'ryyVAn OTTTIT? ТХОГГАТТТГТ!

j_ vaV.iiniaipi Иjwjiиоопйп nv» i^'-iiпэипапп« imri i iin/Civi ¡lijunanil»! noilCjm_n

J ..................' * """ i. Г Л r

BwuijaumwiiiVM АслмУти 13 \.А r\у tu ц jvi v_y» ivi, ivvuLii i. a laiv/Ät в шути"

исследовательской лаборатории «Вибротехника» при разработке и проектировании изделии вибрационнои техники; ВышЩснй опытная партия ручных

ВИООО!

iIJIH(OOBöJibribIх машин.

А. Ж /t^rt WV WS er* ««»йлтт s

n,iiimtiau пи iiaijij ! ni 1 ' i

ТТГ тЛ or'il Г Г7Т Tlrt^rr I f \ ii/^rrir T T-J TT' Л*\ТЛЛТ TT T » X n i S'-i». Лгт ) T^ rr TT Лт.тч /-млкт^лтт MI ТТЛ

\ /уНСmnmc ijv>v jiöiaijdi jjaUlilbi Ha ipei ötw ü \j¥i naynnu"

технических кон^Ьепенииях ^Вибпянионные машины и технологии^- гшохо~

~Г i ' i • " ' i

Tf.V * ГЪ Г ISTIV , f> 1 OÖ'T ТУ 1 ООО fiArrrtV L/^ I " I ТТГ* s If ff ГЛ1ЛЛ ТТТУЛ» i * YA? TT* Ж Т * /Г ПШ РЛЯОЛ«

jmntntiX h i :/7 / И I ~7у у i идад d ivi i j na Mtл^Д v лща»ДпО[У1 .поуНпиМ ьсМнпар^

«Механизмы и машины удаоного, неииодического и вибрационного действия

1. СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ

.1.1. Состояние вопроса и классификация виброшлифовального

оборудования

Для проведения ремонтных работ на производстве и в быту широко используется ручной электрический инструмент. К этому инструменту относятся краскораспылители, лобзики, электрорубанки, шлифовальные машины и

Т. !.

В настоящей работе рассматриваются вопросы, связанные с исследованием и разработкой ручного шлифовального инструмента.

Большую гамму ручного инструмента для шлифования и полирования металлических, пластмассовых и других поверхностей выпускают как у нас в стране так и за рубежом.

Так фирма «Bosch» [50] выпускает эксцентриковые шлифовальные машины моделей GEX150AC, GEX150ACE и др., предназначенные для шлифования и полирования с постоянной электронной регулировкой числа оборотов, встроенным или внешним пылесосом, тормозом шлифовальной тарелки см, рис. 1.1

Рис. 1.1. Эксцентриковые шлифовальные машины

Рис. 1.7. Шлифовальная машина модели В04553

Рис, 1.8. Ленточные шлифовальные машины

Эти машины имеют стойки для стационарной работы с пылепоглоти-тельным устройством, очень удобную систем)' замены шлифовальной ленты.

Фирмой Kress [73] выпускаются эксцентриковые и вибрационные машины моделей 900НЕХ, НЕХ6385Е, CPS6125E Set,CRS6175KA Set. Отличи-тельноя особенность этих моделей от рассматриваемых ранее - это электронное управление по выбору обрабатываемого материала. Непрогибающаяся магниевая шлифовальная подошва. Шлифовальный лист закрепляется липучим соединением или зажимами. На рис. 1.9 показана модель вибрационной шлифовальной модели GRS6175EA Set.

1 3

I = ?

В отличие от электроинструмента пневмоинструмент не перегревается при многочасовой непрерывной эксплуатации, конструкция пневмоинст-рументов отличается большей надежностью, чем электроинструмент. Отсутствие электродвигателя значительно облегчило пневмоинструмент. В России пнсвмоинструмент выпускает АО «Пневмомашина» - Москва.

В настоящее время большое внимание уделяется шлифовальным машинам, которые имеют вибрационный электромагнитный привод.

Работы по проектированию разнообразных шлифовальных машин с электромагнитным виброприводом ведутся в России, США, Дании, ФРГ, Франции и других странах.

Относительная простота конструкции вибромашины, пониженная энергоемкость, высокая технологическая эффективность по сравнению с выше рассматриваемыми машинами одинакового назначения, способствует быстрому расширению области применения вибромашин с электромагнитным виброприводом. На рис. 1.11 показан общий вид виброшлифовальной машины с электромагнитным приводом разработанной в лаборатории «Вибротехника» КГТУ, а на рис. 1.12 показана шлифовальная насадка к виброшлифовальной машине.

Рис. 1.11. Общий вид виброшлифовальной машины

П!Ш шл пшиййп ЯЛ ,

4 - Я ГОУ1Ша-ГЛЗЕНО€ ЛВИЖСКйв-ПТ?€ОблЯЗОБЭНИ€ Б О 3 В Г» Я ГКО ~

1 ' I г г

I юс IV па гель но! о перемещения якоря электромагнита в плоское возвратно-поступательное движение рабочего органа шлифовальной машины, вспомогательное - вручную в направлении шлифовании,

ТГ _ л _ \ ^^ - л - Л I ^

гч,лассишикяния шлишовально] о оооил/лования ппивеленя ня пис 5

г > г * 1 1 ' ~ ~~ :

Исходя из составленной классификации, для нас наибольший интерес представляют шлифовальные машины с электромагнитным виброприводом.

Основные характепистики наиболее распиострэненных ручных вио-рошлиизовальных мши!ш ппиве^ены в таолипе 1,1,

i i

i И> кг i,i.

л/

ларак i ешетики в иот?о i í j л и (пок i кны X машин.

| ! GSS18A ¡ GSS23AE 1 i 1 ПО Ci A КЙ i -i /и ! 1 ттглл л /л л Г\ i Т Т _ /Г___ ! пЭгчи i о? ¡Наоазе i 1 1 ! IV1.

i IÍAW 1 СА i ir*-. í 1 OA ü- i CAA i i i iUM. i UU Di | iOU O i | J\JV 131 ! i i i | мощность 1 ¡ ] i / j dT 175 Вт I 120 Вт 1 j ! | i i i

Í иогтамгл. i / /н w -í i líiip~ ; jl^^XJ LJ i i i ЫИС i • T5 • Г* A p i Ч Э„СТиТи i ц ! сети | OOP» i ООП í^ ) í Г A T^__ I С A JÍJ-1 5 l ! Л \ J - ] Ц } /П^ л гч / /i i м: ГА f-l м W- i 1Л ООП Q 1 OIA Q i ) ! С f\ T~\__ i ГА i JV-l Ц ; JU-1 Ц | í ¡

¡ !(,■,•>, .,-,,-« i O A 1A ) i QJIVICII l O\J I JU 1 плат-мы j мм ПО í 114 i О С 0Л y'X lOZ- ! i it ¿,,¿0 | iOU MM | MM ¡ MM о Л ! Tí & í 1 ov I / i / i tU I MM 1 MM i

УQPTATQ ; iwwAwiv* í r»í\ ; AuJi^ua- ! 1 ний мт-i ОЛППП iTV^V ОПППП i ОПППП I ОПППП ¿VVVV ¿-<0000 i 3000 i i i : i

í КЙГ i w "5 ' • -s f^ ? л 1 « T/* 1 1 » / К "Г ! / xrl i J\I i i. . i i vi. (J ív: 1 í Í 1 1 .0 К1 •? л í t Í- ! \ ¿i ЪГ ! ' I "Л 1Г1 ¡

В этих виОоошлишовальных машинах ггоименяют эксиентоиковыс. лис-

17

1.2. Сравнительный анализ характеристик виброприводов ручных

шлифовальных маш и

Одним из перспективных виброприводов можно считать электромагнитный привод. Преимущества такого привода по сравнению с другими виброприводами заключаются в простоте и надежности, отсутствии вращающихся частей и пар трения, низкой себестоимости.

Основным фактором, влияющим на работу такого привода, является усилие, развиваемое виброприводом. Усилие, в основном, зависит от параметров электромагнита вибропривода: диаметра провода, количества витков, типа намотки катушки электромагнита и сердечника электромагнита [29]. Рассмотрим параметры электромагнитов виброприводов «Мастер КР-260», «BOSCH» и привода, разработанного для ручной шлифовальной машины. Основные параметры электромагнитов приведены в таблице 1.2.

Таблица 1.2.

____Характеристики катушек электромагнитов.__

Nn./i( | Вибропривод

Активное сопротивление

Индуктив- | Индуктив-

ность электромагнита

носи» катушки

3

BOSCH

22 Ом

543 мГн

Мастер КР-260

25 Ом

616,4 мГн

34600 мГн 10300 мГн

Опытный обр.

23 Ом

391,6 мГн

102400 мГн

Как видно из таблицы, наилучшими характеристиками обладает опытный образец, индуктивность которого в три раза превышает индуктивность электромагнита привода «BOSCH» и почти в десять раз индуктивность электромагнита привода «Мастер КР-260».

В работе [76] была рассмотрена расчетная схема вибропривода. Проверяя работу виброприводов с электромагнитами, параметры которых приведены в таблице 1.2, установлено, что зависимость Q = f(q>.) при U =const имеет вид представленный на рис. 1.14.

1 о i ö

Из полученных зависимостей видно, что для применения электромагнитного вибропривода в виброшлифоваяьной машине отпадает необходимость в регулировке угла между якорем и сердечником электромагнита.

Максимальная мощность, развиваемая виброприводом, достигается при максимальном угле между якорем и сердечником электромагнита равным 3 градусам.

1 - вибропривод «BOSCH»;

2 - вибропривод «Маетер-КР-260»;

3 - опытный образец вибропривода.

Изменение мощности вибропривода на холостом ходу при изменении напряжения питания от -20% до +15% т.е. Q=f(u) приведена на рис. 1.15.

1°30' 3° 4°30! Ср° Рис. 1.14. Q = f(q>) при U = const

180 220 250 U\ В

Рис. 1.15 Q= f(U):

Гиэ«пттгттпл /гтт ог^ачотлт И/гоп? ттоттттттт лту\т?,'тг1тлтг

I 1 .1 «

I аЗМбрЫ ЗСрСН „КШС НраВйЛ05 НСООЛЪШ

ие ГО, I ~ I.и мм

Каждая вершина зерна является микрорезцом произвольной формы и с разными углами резания. Из теории резания металлов известно, что

¡Г* _____________ _ _ _ _ ^

олагоирияч ные условия снятия стружки могV1 оыть лишь при определенных рациональных углах резания. При шлифовании зги условия не выполняются, как плавило. веншины аооазивных зетзен имеют отпицательные пепедние

-"1 ~ " Г~ X А I А '1

углы резания (от -50° до -80°) и сравнительно большие площадки износа на задней поверхности (т.е. ¡*Ьон\;а пежуптих кпоадок для пезания самая

~'' » Г" \ " XI А • 1 л.

неблагоприятная). Если рассматривать величину зерна при большом увеличении (в 500 - 2000 раз), то можно увидеть, что ее поверхность нешвная. на ней миквовыступы. котопые, как установлено, снимают стоужку

у

внедрения вершин в обрабатываемую поверхность так же будет различной. Кроме этого, в шлифовании участвуют только наиболее выступающие над связкой вершины зерен на рабочей поверхности абразивного инструмента рис. 2.1

7 9 3 /. С £ 7

I -1 т -> и I

"7 " / 1 7 ~1 ~1 ~1

- -Ж- 1

к АЛ А 1. .

Рис. 2.1. Рельеф абразивного инструмента;

- Нр - высота рельефа абразивного инструмента;

Накт - высота его ак тив пой части:

1-7 - вершины зерен, участвующие в работе стружкообразования.

Из числа контактирующих зерен стружку снимают лишь те, которые

достаточно глубоко внедряются в обрабатываемую поверхность, а остальные только пластически деформируют ее, оттесняя в стороны без образования стружки.

Во-первых, количество стружки, снимаемой с заготовки в 1 мин., в среднем составляет несколько десятков миллионов.

Во- вторых, из-за разновысотности расположения вершин абразивных зерен и их случайной формы, размеры и форма стружек изменяются в широких пределах - от десятков долей до десятков микрометров по толщине, длина стружек зависит от длины контакта абразивного инструмента с обрабатываемой поверхностью.

1 А

ТОСгЬИХ- ООиЬШИб СКОПОСТИ ОСЗ&НИЯ Г В 10 - 30 РЯЗ ЙОЛЫТ1И6- ЧОМ 1Щи

.1 ' £~ ~ V I 7 ' А

ТОК ИТ) НО И ОООВООТКб ^ И ПРеоблЯДЯНИе ОТРИНЯТСЛЬнЫХ УГЛОВ V веРТПИН

г а / 1г ^ "г ' ' J ~ ~ J - а

^ / __ _ ^ ___

ир ;ДЗ И В и ь \ X .5С|..!СН ~ОУ ) й МЗлЫХ ТОлшИН С'ОсЗОВ СнОСООСТвуюТ сильному

пластическому деформированию срезаемого слоя обрабатываемой поверхности и оттеснению в сторону от вершины зерна, большому сопротивлению резания и нагреву зоны шлифования до высоких температур, достигающих даже темпеиятут>ы плявления обрабатываемого материала,

' ' 1 •/Г I " г

Эневг Ч1Я ЗатП8ЧИВаеМЯЯ на СНЯТРШ С ЛИНИ 1Т К? (п ТТм 1111V С к я с

л. ~ " Г ' " ' ' " V ~

заготовки, во много раз превышает энергию, необходимую для снятия того же ооъема 1 го я точении или и юезепо вании.

1 ¡епеч меленные осооснностр! оооазовяния с тпужки или шлифовании

Г ± ' " £~ * ~ х Т

создают определенные тт?Vпноети л л я лйботы яолазивных зелен без

! Г 1 ^ " ' ~ ' * * А "" Г

разрушения, Высокая твердость и теплостойкость абразивных зерен оо^снечивают их раоо!У оез чрезмерного износа, а хрупкость материала зерен

1« /ТТТТУ»? ,'сА* «О 4"? ГЧЗТТ'О Т* V ЮТ/"^йГТтТОТГ«1?Т /»ПГТПТ/'О?? П/>ПЛ АТТГТ?ЛТ ТТАЛТ! ЛТ? ТТОДТк -г

у V \-riJlCL иапкш пиооиллш! птп

степени самозатачивания аоразмвного инструмента, т. е= микпоскалывание вершин зелен с образованием новых острых режутцих кромок и выкрашивание затупившихся зерен из связки с одновременным вступлением в оаботу нового ряда зелен* Самозатачивание ~ спенисоинсское явление-

ш,исушее плопеееам аоо<язивнои оолаоотки

Г ^ 5 1 1 А ~

ьольшая пластическая ле^оомания и работа тления- гхлис^ллие

I ч 1* 1. ' I" "Г" ? ^ *

шл

и (но ввнию лйзоглеваюх слои обрабатываемой поверхности по^

Г " ' I 1 л"' " Г ' ■>

абразивным инструментом до высоких температур. Происходящее при этом размягчение металла облегчает пооттесс снятия еттлкки абразивными

1 " ' " 1 " л. J 1"

Чсонами. V, ; гТ?\ го и с ? оооны- нйгпсн Ог уПйоя 1 ывяемого повел хнос гн\.м о слоя

--г----------- — г-!£- J ----- - 1------7 -----1-----£------------------- -----£---------

Iгриволиг к появлению десЬект но! о слоя в виде ппижогов микоотоет* > ин^

АГ-Т-ТТЛ! I I 1Г IV Т70Тт<Т»,Т/=аТ1ТГТ1 тт т> тт

Эффективность процесса шлифования зависит, прежде всего, от основных параметров, характеризующих ход процесса, таких как толщина и длина среза одним абразивным зерном, сила и работа шлифования, контактная температура, износостойкость абразивного инструмента.

2.2. Силы резания при шлифовании

От каждого абразивного зерна при его внедрении в обрабатываемую поверхность действует небольшая сила микрорезания (0,5 - 5Н) [62]. Сумма этих сил от всех абразивных зерен находится в пределах площади кош-акта рабочего органа шлифовальной машины с обрабатываемой поверхностью и определяет силу резания. Обычно ее раскладывают на две составляющие. Ру -перпендикулярную обрабатываемой поверхности и Рх- направленную вдоль вектора скорости резания рис, 2,2,

1 2

——-1- ¡ /

1 i f / 1 1 i

^ / / / / / / / /' // / / / / / /./,// Ру

Рис, 2,2, Составляющие силы резания:

1 - рабочий орган виброшлифовальной машины;

2 - обрабатываемая поверхность,

В отличие от точения и фрезерования при шлифовании сила Рх больше силы Ру, Это объясняется малыми толщинами срезов и отрицательными передними углами резания. Обычно при шлифовании незакаленных сталей РХ=1.5РУ, а при шлифовании закаленных сталей принимают Р,=(2-3)РУ причем, чем тверже обрабатываемая поверхность, тем больше значение силы Рх. При затуплении режущих кромок абразивных зерен наблюдается тенденция к увеличению отношения Рх/Ру.

ъс

/л \

23, Математическая модель виброшлифовальной машины с адаптивным управлением вибропривода 23,1 .Анализ взаимодействия шлифовальной машины с обрабатываемой поверхностью

В ручной виброшлифовальной машине рабочий орган может быть жестко соединен с корпусом машины или через шарнир рис. 2,3

Э /

2

ЯЛ- }