Стенд для исследования характеристик демпфера, используемого при обработке фрезерованием детали

Предлагаемое устройство относится к области обработки металлов резанием и может быть использовано в машиностроении при создании демпферов для обработки концевыми фрезами на фрезерных станках с числовым программным управлением (ЧПУ) деталей, имеющих малую толщину. Высокоскоростное фрезерование позволяет существенно усовершенствовать технологический процесс производства таких деталей: радикально повысить производительность чистового фрезерования на станках с ЧПУ и существенно сократить объем ручной слесарной доработки, обеспечив повышение точности изготовления. Однако увеличение скорости резания и частоты ударов зубьев фрезы зачастую вызывает возникновение интенсивных вибраций детали в процессе обработки. Вибрации в свою очередь вызывают значительное снижение чистоты обработанной поверхности и точности изготовления, а также ускоренный износ инструмента. Выполнение обработки в условиях интенсивных вибраций детали, как правило, дает неприемлемый результат. Для борьбы с вибрациями либо пытаются скорректировать частоту вращения шпинделя станка таким образом, чтобы исключить резонанс при взаимодействии собственных частот обрабатываемой детали со спектральными составляющими силы резания, либо применяют специальные приспособления, в том числе различные демпферы.
Для выбора наиболее подходящего демпфера целесообразно использовать испытательный стенд. Стенд должен обеспечивать имитацию процесса обработки нежесткой заготовки путем оказания на резонансную балку, моделирующую обрабатываемую деталь, соответствующего переменного силового воздействия с измерением параметров результирующего процесса колебаний конструкции с демпфером.
Сопоставление амплитуд колебаний резонансной балки до и после закрепления демпфера позволит количественно исследовать его эффективность. Выполнение измерений возникающих усилий и ускорений при различных частотах и интенсивности воздействия позволит получить полное представление о процессе функционирования демпферов различных типов. Проведение данных исследований позволяет выполнять обоснованный выбор типа применяемого демпфера, а также определять рациональные значения его конструктивных параметров для конкретных производственных задач. Отработка различных способов закрепления демпфера на детали при натурном силовом воздействии на резонансную балку позволит сделать применение демпферов удобным, эффективным и надежным.
Известны по данной тематике: патент на изобретение SU №672538 «Стенд для испытания объектов типа демпферов и амортизаторов» (МПК G01N 3/30 Межебовский В.А., Федотов Л.А., Татур В.Г. от 05.07.1979 г.) Стенд содержит раму, электродвигатель, маховик, толкатель, установленный в корзине (стакане), подпружиненный шток, рычажный фиксатор, датчик скорости маховика. Основной недостаток данного изобретения: невозможно проводить измерение при высоких (50-2000 Гц) частотах вынуждающей силы.
Известен патент на изобретение SU №1478076 А1 «Стенд для испытания демпферов инерционного типа трансмиссий землеройных машин» (МПК G01M 17/02, F16, F15/12 Варава В.И., Добрынин Ю.А., Куличенко В.В., Чукичев А.Н. от 07.05.1989 г.), стенд содержит раму, электродвигатель, маховик, вибровозбудитель, испытуемый демпфер, ползун с планшетом, записывающий элемент. Недостатком данного изобретения является невозможность проводить измерения при высоких (50-2000 Гц) частотах вынуждающей силы.
За прототип был принят стенд, описанный в статье «Особенности исследований эффективности виброгасящих устройств ручных и переносных машин ударного действия» (авторов Доброборского Б.С. и Овчарова А.А, ФГБОУ ВПО «Санкт-Петербургский государственный архитектурно-строительный университет»), опубликованной в электронном научном журнале «Современные проблемы науки и образования» ISSN 2070-7428 стр. 213.
Стенд для моделирования работы с ручными и переносными машинами ударного действия состоит из электродинамического вибростенда (возбудителя колебаний), тензодатчика (датчика силы), измеряющего величину усилия, создаваемого вибростендом, рукояток перфоратора, акселерометра, виброметра, анализатора спектра, тензометра, выходного трансформатора, усилителя мощности и устройства для перестройки частоты генераторов и синтезатора вибрации (генератор колебаний). Разработанный стенд обеспечивает имитацию работы бурильщиков по параметрам усилия подачи и спектру вибрации. Основной недостаток - данный стенд не может быть применен для исследования вибраций нежесткой заготовки, обрабатываемой фрезерованием и экспериментальных исследований эффективности демпферов различных типов, так как:
1) невозможно имитировать колебания фрезеруемой нежесткой заготовки;
2) невозможно измерять возникающие усилия между демпфером и имитируемой заготовкой.
Задачей и техническим результатом предлагаемой полезной модели является конструкция стенда, позволяющая проводить экспериментальные исследования эффективности демпферов для снижения вибраций деталей, имеющих малую толщину, в процессе их обработки фрезерованием и повышение надежности крепления демпфера к обрабатываемым деталям с различной формой поверхности.
Задача и технический результат достигаются тем, что стенд для испытания демпферов, содержащий возбудитель колебаний, акселерометр, датчик силы, измеряющий усилие, создаваемое возбудителем колебаний, аналого-цифровой преобразователь, анализатор спектра, усилитель мощности, генератор колебаний, устройство крепления демпфера, дополнительно содержит резонансную балку, закрепленную на основании через пару опор, и датчик силы, установленный между резонансной балкой и демпфером.
Задача и технический результат также достигаются тем, что устройство крепления демпфера выполнено в виде вакуумной присоски.
Предлагаемая полезная модель поясняется следующими фотографиями и графиками.
На фигуре 1 изображена конструкция резонансной балки стенда для испытания демпферов, где 1 - массивное основание, 2 - вертикальные опоры, 3 - резонансная балка.
На фигуре 2 изображено необходимое для работы оборудование, где 4 - возбудитель колебаний, 5 - толкатель, 6 - усилитель мощности, 7 - датчик силы, 8 - акселерометр, 9 - силоизмерительный молоточек, 10 - аналого-цифровой преобразователь, 14 - генератор колебаний.
На фигуре 3 показан описываемый стенд во время испытания одного из демпферов, где 7а - датчик силы, установленный между возбудителем колебаний и резонансной балкой, измеряющие усилие, создаваемой возбудителем колебаний, 7б - датчик силы, установленный между и резонансной балкой и тестируемым демпфером, 11 - тестируемый демпфер.
На фигуре 4 показана измеренная передаточная функция резонансной балки созданного стенда.
На фигуре 5 показана передаточная функция резонансной балки, измеренная при возбуждении ее колебаний с варьированием частоты и амплитуды воздействия в автоматическом режиме, F-амплитуда силового воздействия.
На фигуре 6 показана передаточная функция резонансной балки с демпфером со свободным грузом в вязкой среде массой 1.5 кг.
На фигуре 7 показано вакуумное крепление демпфера массой 1.5 кг с помощью промышленного вакуумного насоса, где закрепленный установленный на резонансной балке с помощью вакуумной присоски, где 12 - вакуумный насос.
На фигуре 8 показано вакуумное крепление демпфера диаметром 47 мм на выпуклой шероховатой криволинейной поверхности с радиусом криволинейности 700 мм, где 13 - резиновое кольцо, образующее вакуумную присоску.
На фигуре 9 показано вакуумное крепление демпфера диаметром 32 мм на выпуклой криволинейной поверхности с радиусом криволинейности 25 мм, где 13 - резиновое кольцо, образующее вакуумную присоску.
На фигуре 10 показано вакуумное крепление демпфера диаметром 32 мм на вогнутой криволинейной поверхности с радиусом криволинейности 25 мм.
Предлагаемый стенд, изображенный на фигурах 1-3, состоит из основания 1 (разметочного стола), пары опор 2 и резонансной балки 3, которая по жесткостным и частотным характеристикам должна соответствовать типовой реальной заготовке. Конструкция резонансной балки 3 должна обеспечивать удобство расположения средства оказания на нее силового воздействия, закрепление демпферов 11 и датчиков (7а, 7б, 8), простоту изменения ее частотных характеристик. Для изготовления балки был использован стандартный профиль 50×30 с толщиной стенок 2 мм, длина балки составила 700 мм. Изменить жесткость резонансной балки можно, изменив пролет между вертикальными опорами, а изменить ее массу можно, закрепив на нее дополнительный груз. На фигуре 2 показаны все необходимые для экспериментов аппаратные средства, используемые в составе стенда: возбудитель колебаний 4 с толкателем 5; усилитель возбудителя колебаний 6; датчики силы 7а и 7б; акселерометр 8; силоизмерительный молоточек 9; аналого-цифровой преобразователь 10, генератор колебаний 14. На фигуре 3 показан стенд во время испытания одного из демпферов 11, с необходимыми для экспериментов аппаратные средствами.
Работа на стенде происходит следующим образом: для оказания на резонансную балку силового воздействия с частотой 50-2000 Гц и амплитудой до 50 Н целесообразно применять возбудитель колебаний 4. Конструкция возбудителя колебаний 4 включает подвижную катушку на упругой подвеске и постоянный магнит. Резонансная балка 3 жестко соединяется с катушкой возбудителя колебаний через специальный толкатель 5. Диаметр стержня толкателя составляет около 2 мм. Толкатель 5 обеспечивает передачу воздействия от возбудителя колебаний 4 строго в одном направлении, а также предохраняет возбудитель колебаний 4 от поломки при чрезмерном силовом взаимодействии возбудителя колебаний 4 и резонансной балки 3 (чрезмерное воздействие приведет к порче толкателя, но не возбудителя колебаний). Толкатель 5 закрепляется на катушке с помощью цангового патрона, а на резонансной балке 3 с помощью резьбового соединения. Силовое воздействие на резонансную балку 3 осуществляется путем создания генератором колебаний 14 соответствующего логического управляющего сигнала, его усилением с помощью специального, входящего в состав возбудителя колебаний 4 усилителя 6 и подачей результирующего силового напряжения на катушку.
При чистовой обработке высокопрочной стали рациональное значение скорости резания оставляет около 200 м/мин. Диаметр инструмента, используемого для чистовой обработки, составляет 8÷16 мм, при числе зубьев 2÷4. Значит, частота удара зуба фрезы при высокоскоростной чистовой фрезерной обработке стали лежит в диапазоне 130÷500 Гц. При обработке алюминиевых сплавов частота ударов зубьев фрезы может доходить до 750 Гц. При проектировании стенда рационально обеспечить частоту силового воздействия на тестовую конструкцию в диапазоне 50-2000 Гц.
Основной процедурой, выполняемой на разработанном стенде при исследовании характеристик различных типов демпферов, является измерение передаточной функции резонансной балки при возбуждении ее колебаний синусоидальным воздействием с варьированием частоты и амплитуды воздействия в автоматическом режиме. Программное обеспечение в соответствии с заданными параметрами выполняет проход по частотам, последовательно меняя частоту воздействия при фиксированной амплитуде воздействия, затем изменяет амплитуду воздействия и делает новый проход по частотам с постоянной амплитудой и так далее.
На фигуре 4 представлена измеренная передаточная функция резонансной балки созданного стенда.
Передаточные функции резонансной балки (отношение амплитуды колебаний исследуемой конструкции к амплитуде возбуждающего воздействия), полученные таким способом для значений амплитуды воздействия 7 Н, 14 Н, 21 Н, приведены на фигуре 5. Видно, что с изменением амплитуды воздействия амплитуда колебаний балки меняется непропорционально, т.е. рассматриваемая резонансная балка является нелинейной механической системой (при линейных характеристиках детали графики отношения амплитуды колебаний к амплитуде воздействия, приведенные на фигуре 5, должны были бы быть идентичны для различных амплитуд воздействия). Максимальные амплитуды колебаний балки при измерениях достигали значительных величин - 0.13 мм, 0.22 мм, 0.27 мм. Нелинейность характеристик балки 3, содержащей множество стыков и резьбовых соединений, при таких амплитудах является ожидаемым результатом. Сборка из реальной детали, закрепленной в тисках или технологическом приспособлении, также содержит стыки и резьбовые соединения, и рассматриваемая резонансная балка 3 подходит для моделирования реальной детали. В качестве испытуемых демпферов были выбраны пенал с дробью и демпфер со свободным грузом в вязкой среде. На фигурах 6 и 7 показаны результаты испытания демпфера со свободным грузом в вязкой среде массой 300 г и 1.5 кг (передаточные функции балки с демпфером). Демпфер со свободным грузом в вязкой среде, имея более сложную по сравнению с пеналом с дробью конструкцию, при малых амплитудах воздействия не показал заметного преимущества в эффективности, а в некоторых измерениях эффективность пенала с дробью оказалась даже выше. Однако несомненным достоинством демпфера со свободным грузом в вязкой среде является линейность его характеристик - даже при очень интенсивном воздействии он сохраняет свою эффективность, что является важным преимуществом для демпфера, используемого при обработке нежестких деталей.
Выбранные демпферы необходимо надежно закрепить на обрабатываемой детали. Отработано вакуумное закрепление демпферов 11 на обрабатываемых деталях 3 с помощью промышленного вакуумного насоса 12. Подтверждено, что данный способ, очень быстрый и удобный, позволяет обеспечить достаточное усилие закрепления демпфера 11, необходимое для успешной обработки деталей 3. На фигурах 8, 9, 10 и 11 показано вакуумное закрепление демпферов 11 с помощью вакуумной присоски 13 на обрабатываемых деталях 3 при применении промышленного вакуумного насоса 12.
Разработанная конструкция стенда позволяет легко изменять характеристики резонансной балки для имитации вибраций различных деталей при их обработке фрезерованием, а также полноценно исследовать характеристики тестируемых демпферов благодаря измерению усилий, оказываемых на резонансную балку как со стороны возбудителя колебаний, так и со стороны тестируемого демпфера.