Анализ возможностей введения ультразвуковых колебаний в зону резания

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

Н. Я. Смольников, д-р техн. наук, С. И. Агапов, канд. техн. наук,
Н. А. Федянова, канд. техн. наук, О. Ф. Корпелянский
АНАЛИЗ ВОЗМОЖНОСТЕЙ ВВЕДЕНИЯ УЛЬТРАЗВУКОВЫХ КОЛЕБАНИЙ В ЗОНУ РЕЗАНИЯ Волгоградский государственный технический университет
E-mail: stanki@vstu. ru
Анализ возможности использования магнитострикционных и пьезоэлектрических преобразователей в данных условиях работы позволил спроектировать универсальное ультразвуковое приспособление для нарезания мелкомодульных зубчатых колес.
Ключевые слова: магнитострикционный преобразователь, пьезоэлектрический преобразователь, ультразвуковой концентратор.
The analysis of possibility of use magnitostrict and piezoelectric converters in the given conditions of work has allowed to design the universal ultrasonic adaptation for cutting cogwheels.
Keywords: magnetic striction converter, the piezoelectric converter, the ultrasonic concentrator.
Нарезание зубьев является самым трудоемким процессом в технологии изготовления зубчатых колес. На него затрачивается 50−60% общей трудоемкости обработки зубчатого колеса. Вследствие низкой производительности используется большой парк станков, значительные производственные площади и расходуется большое количество дорогостоящего зуборезного инструмента.
Для повышения стойкости инструмента и снижения стоимости изготовления зубчатого колеса необходимо изменить условия резания. Одним из способов является введение в зону резания ультразвуковых колебаний. рассмотрим два варианта:
1-й вариант — наложение ультразвуковых колебаний на режущий инструмент-
2-й вариант — наложение ультразвуковых колебаний на деталь.
Рассмотрим подробно эти варианты.
Для колебательных систем, с наложением ультразвуковых колебаний на инструмент от магнитострикционного или пьезоэлектрических преобразователей, необходимо выполнить следующие условия:
1. Когда инструмент закреплен на концентраторе, используемом для увеличения амплитуды колебаний, необходимо достижения резонанса частот преобразователя и инструмента.
2. Режущий инструмент должен легко крепиться к концентратору и легко сниматься.
3. Для колебательной системы инструмента следует определить координаты узлов колебаний и надежно укрепить инструмент к шпинделю станка.
4. Если колебательная система инструмента соединяется со шпинделем в узлах колебаний на болтах, то необходимо подобрать такие конструкции, при которых частота собственных колебаний системы не изменялась.
Для создания ультразвуковых колебаний применяются магнитострикционные и пьезоэлектрические преобразователи.
Основным элементом магнитострикционно-го преобразователя является сердечник, набираемый из соответствующего числа никелевых пластин толщиной 0,1 мм. Пластины требуемой формы получают холодной штамповкой. Перед сборкой пластины отжигают в среде водорода при 750 °C в течение 15−20 минут, при этом на них формируют тонкое оксидное покрытие. Для соединения пластин используют эпоксидные смолы типа Аралдим-15, поляризуемые при высокой температуре. При проектировании вибратора обычно вводят в расчет удельную выходную мощность порядка 30−40 Вт/см2 для кратковременных режимов работы. При необходимости длительной работы мощность сле-
дует уменьшить до 20% этого значения (примерно до 7−8 Вт/см2). При продолжительной непрерывной работе вибратора на предельной выходной мощности из-за выделенного тепла рабочие характеристики ухудшаются. Для правильной эксплуатации необходимо чередовать периоды нагрева и охлаждения. Непрерывная работа малогабаритных преобразователей, генераторов и накопителей энергии из-за выделения значительного количества тепла и возникновения неисправностей может оказаться невозможной.
Разрабатываемые в настоящее время никелевые магнитострикционные преобразователи могут работать в диапазоне частот 20−50 кГц.
Для возбуждения колебаний и подмагничи-вания на сердечник навита обмотка из определенного числа витков. Чтобы уменьшить потери энергии, на торцевые поверхности вибратора наклеивают губку. Помимо этого по четырем углам устанавливают защитные пластины, чтобы колебания, возникающие на кромках, не привели к разрушению теплостойкого обмоточного привода. Никелевый магнитострикци-онный преобразователь используется для создания колебаний с частотой 18−22 кГц и имеет мощность около 500 Вт. Поскольку при работе такого вибратора выделяется значительное количество теплоты, необходимо водяное охлаждение, т. е. на станок необходимо устанавливать
емкость с охлаждающей жидкостью, насос и соответствующую гидравлическую аппаратуру.
Рассмотрим несколько схем с установкой магнитострикционного преобразователя на зубофрезерных и зубодолбежных станках.
На рис. 1, а представлен эскиз установки магнитострикционного преобразователя на зубофрезерный станок. Магнитострикционный преобразователь 2 устанавливается в шпиндель 1, в преобразователь вкручивается оправка-концентратор 4 на котором устанавливается токоподводящая система 3, червячно-модульная фреза 5, которая подпирается распорными кольцами 7. Оправка поддерживается подпятником 6 и закрепляется гайкой 8.
На рис. 1, б представлен эскиз установки магнитострикционного преобразователя на зубодолбежный станок. Как видно из данного рисунка, магнитострикционный преобразователь тоже не вписывается в рабочую зону станка. К недостаткам данных схем относится:
а) магнитострикционный преобразователь по геометрическим размерам не вписывается в рабочую зону станка-
б) создается необходимость предусмотрения специальных устройств для подвода охлаждающей жидкости, так как магнитострикци-онный преобразователь вращается, что увеличивает его размеры и вес, а также снижает надежность.
О
Г-
& lt-ч
I
о
о*
Рис. 1. Виды установки магнитострикционных преобразователей: а — с червячно-модульной фрезой на зубофрезерном станке- б — с зуборезным долбяком на зубодолбежном станке
Рис. 2. Установка пьезоэлектрического преобразователя:
— с червячно-модульной фрезой на зубофрезерном станке- б — преобразователя с зуборезным долбяком на зубодолбежном станке
Следовательно, ультразвуковые головки на основе магнитострикционных преобразователей не могут применяться на станках для нарезания мелкомодульных зубчатых колес.
Для изготовления пьезоэлектрических вибраторов используются пьезокерамические кольца, изготовленные на основе титанита-цирко-натов свинца. В России они, как правило, имеют маркировку ЦТС, в Европе Р2, в Японии Р2Т. Колебательная система представляет собой многослойный излучатель, или, как его еще называют, пакет Ланжевена. Он состоит из двух металлических накладок, одна из которых является частотопонижающей. Выбор материала и геометрических размеров приводится ниже. При проектировании излучателей за основу были взяты пьезокерамические кольца 46×14×9 мм из ЦТС-19, которые излучают колебания с частотой 18−19 кГц.
Рассмотрим несколько схем с установкой пьезоэлектрического преобразователя на зубофрезерных и зубодолбежных станках.
Как видно из рис. 2, а, 2, б применение даже компактных пьезоэлектрических преобразователей не позволяет спроектировать ультразвуковые головки, которые бы вписывались в рабочую зону станков, предназначенных для мелкомодульных зубчатых колес. Единственной возможностью применения магнитострикцион-ных и пьезоэлектрических преобразователей
является создание специальных шпинделеи, в которые были бы вмонтированы данные преобразователи.
Рассмотрим возможность создания ультразвукового приспособления. Как видно из вышеизложенного, магнитострикционный преобразователь не подходит из-за своих габаритов,
Рис. 3. Универсальное ультразвуковое приспособление для нарезания мелкомодульных зубчатых колес на зубофрезерных и зубодолбежных станках
б
а
а
кроме того, ему необходимо индивидуальное водяное охлаждение. Для создания ультразвукового приспособления остановим свой выбор на пьезоэлектрическом преобразователе. Автором было спроектировано универсальное приспособление для зуборезных и зубодолбежных станков, которое представлено на рис. 3
На стол станка устанавливается основание 1 с впрессованным корпусом 2, где размещены токосъемный узел 3, состоящий из латунного кольца и двух изолирующих колец, концентратор 4 с заготовкой 9. На концентраторе закреплен ультразвуковой блок 5, состоящий из многослойного пакета пьезоэлектрических пластин, виброгасящей накладки, стянутых центральной шпилькой и гайкой. Для подвода напряжения к пьезоэлектрическому блоку при помощи подшипника 6 корпус соединен с наружным кольцом 7, на котором установлено токоподводящее устройство 8, состоящее из быстросъемного разъема и регулируемой подпружиненной щетки, изолируемой от корпуса текстолитовой втулкой.
Для привода в действие малогабаритных пьезоэлектрических вибраторов обычно используют ультразвуковые генераторы небольших размеров. Однако, чтобы получить такой же или более высокий суммарный эффект, как при использовании магнитострикционного вибратора, необходимо использовать пьезоэлектрический вибратор с очень высоким коэффициентом добротности резонансного контура. Это, в свою очередь означает, что необходимо тщательно проектировать, изготовлять и настраивать колебательную систему и что диапазон режимов резания у такой системы может
быть довольно узким. На эффективность работы весьма существенно влияет точность сопрягаемых поверхностей (соединение пьезокерамических колец между собой, с концентратором и заготовкой). Поэтому необходимо тщательное обеспечение требуемой точности изготовления деталей.
В качестве источника возбуждения пьезоэлектрического преобразователя использовался ультразвуковой генератор УЗГ 3−0,25, выпускаемый Ульяновским приборостроительным производственным объединением.
На основании анализа возможных компоновок можно сделать следующие выводы:
1. Применение магнитострикционных и пьезоэлектрических преобразователей для наложения ультразвуковых колебаний на инструмент на зубообрабатывающих станках для нарезания мелкомодульных зубчатых колес невозможно из-за ограниченной рабочей зоны.
2. Наложение ультразвуковых колебаний на инструмент возможно только при создании специальных станков с вмонтированными ультразвуковыми преобразователями в шпинделях.
3. Введение в зону резания ультразвуковых колебаний возможно только при создании компактных пьезоэлектрических преобразователей, при этом каждое приспособление подходит только для определенной группы деталей.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Пат. № 78 700 РФ. Пьезоэлектрический преобразователь. Агапов С. И., Сидякин Ю. И., Корпелянский О. Ф.
2. Марков, А. И. Ультразвуковое резание труднообрабатываемых материалов / А. И. Марков. — М.: Машиностроение, 1968. — 180 с.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой