CC BY
4
УДК 658.56
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-4-412-416
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАБОЧЕЙ ЧАСТИ ОПРАВКИ ДЛЯ ПРЕЦИЗИОННОГО ШЛИФОВАНИЯ ИЗ МАТЕРИАЛА С ЭПФ В ЛАБОРАТОРНЫХ
УСЛОВИЯХ
Д.В. Антипов, О.В. Ломовской, Д.В. Назаров, А.А. Шаров
Проведено экспериментальное моделирование процесса функционирования втулки из материала с эффектом памяти формы, которое позволило глубже исследовать процессы, происходящие в материале и влияющие на работоспособность технологического оснащения. Была разработана методика экспериментального исследования, спроектировано и изготовлено экспериментальное оборудование и оснащение. В результате сравнения результатов цифрового моделирования с результатами натурного установлена адекватность аналитической и численной моделей. В дальнейшем ранее полученные модели функционирования рабочей части оснащения - втулки из материала с эффектом памяти формы могут быть использованы для проектирования технологического оснащения для прецизионного шлифования тонкостенных деталей изделий точной механики.
Ключевые слова: втулка из материала с эффектом памяти формы, экспериментальное моделирование, перемещение, деформация, напряжение.
На ресурс работы агрегатов и механизмов в значительной степени влияет качество изготовления входящих в них элементов. Одним из факторов, влияющим на качество, является точность обработки входящих деталей. В процессе обработки деталей узлы станка, приспособление, инструмент и заготовка деформируются, что в той или иной мере отражается на точности формы и её размеров. Например, при консольном шлифовании тонкостенных осесимметричных деталей с «глухим» торцом на оправке круг-лошлифовального станка происходит их отжим от шлифовального круга и отклонение от соосности вследствие имеющихся между оправкой и заготовкой зазоров. Такие отклонения формы и размеров деталей оказывают влияние на их точность и в дальнейшем сроки эксплуатации агрегатов и механизмов. В связи с этим совершенствование технологического процесса в части разработки прогрессивного технологического оснащения представляет собой актуальную задачу.
Создание технологического оснащения с применение материала с эффектом памяти формы (ЭПФ) позволяет обеспечить требуемую стабильность и осесимметричность радиальных перемещений. Втулка, изготовленная из сплава, обладающего ЭПФ (например TiNi), при соответствующей предварительной обработке способна уменьшаться в диаметре при нагреве (этап установки заготовки) и увеличиваться при охлаждении (этап закрепления и обработки) [1].
Ранее, по результатам теоретических исследований были получены аналитические зависимости, определяющие влияние параметров оснащения на условия закрепления обрабатываемой детали, напряженно-деформированное состояние обрабатываемой заготовки и рабочей части оснащения. Представляемая математическая модель учитывает неравномерность поля деформаций наведения, полученных путем радиальной раздачи рабочей части. При этом введено допущение о безградиентном поле температур в рассматриваемой рабочей части оснащения [2].
Также проведено компьютерное моделирование процесса функционирования рабочей части оснащения - втулки из материала с эффектом памяти формы в системе ANSYS, которое позволило глубже исследовать процессы, происходящие в материале и влияющие на работоспособность технологического оснащения. В результате моделирования получены значения компонент, характеризующих напряженно-деформированное состояние втулки из материала с эффектом памяти формы: радиальные и окружные напряжения, радиальные и окружные деформации. Полученная модель позволила оценить поведение втулки из материала с эффектом памяти формы в различных условиях. Полученные результаты позволили сделать вывод о соответствии компьютерного эксперимента процесса функционирования силового элемента в виде втулки из сплава с эффектом памяти формы аналитическому моделированию
[3].
Для дальнейшей верификации разработанной модели необходимо выполнить лабораторные исследования экспериментального образца рабочей части оправки для прецизионного шлифования. Результаты экспериментальных исследований позволят подтвердить разработанную методику и при необходимости уточнить её для более эффективного применения на практике.
Методика проведения исследований. В процессе экспериментов исследовалась работа образцов, соответствующих расчетным случаям при численном экспериментальном исследовании, изложенным в [3]. Изготовлены образцы в виде втулки из материала с ЭПФ. Размеры образцов-втулок: наружный диаметр - 28 мм, длина 37 мм. Диаметры отверстий в образцах задавались следующим рядом: 10, 12, 14, 16, 18, 20 мм, что соответствовало толщинам их стенки 9, 8, 7, 6, 5 и 4 мм.
Дорнование отверстий в образцах проводилось со степенью радиальной деформации, соответствующей предельному состоянию каждого образца, обеспечивающей пластическое деформирование всего сечения образцов. Величины раздачи по внутреннему диаметру образцов, соответствуют также условию, заданному при численном эксперименте.
Далее образцы нагревались потоком горячего воздуха до температуры выше температуры конца обратного мартенситного превращения (150°С). При этом фиксировались изменения внутреннего и наружного диаметров образцов, а также температура на внутренней и наружной поверхностях образцов.
При охлаждении образцов за счёт естественного конвективного теплообмена до температуры ниже предела прямого мартенситного превращения материала втулки (20°С) наблюдался возврат к первоначальной форме - увеличивался диаметр наружной и внутренней поверхностей. Для данного цикла также фиксировались изменения внутреннего и наружного диаметров образцов, а также температура на внутренней и наружной поверхностях образцов.
Оборудование и оснащение для проведения экспериментальных исследований. Для проведения измерений параметров образцов в процессе эксперимента разработано и изготовлено специальное испытательное оборудование, в состав которого входит механическая и электронная части.
Схема механической части испытательного оборудования представлена на рис. 1, а ее внешний вид представлен на рис. 2. Данный узел состоит из двух плит, нижней 1 и верхней 2, которые соединены с помощью четырех стоек 3 и зафиксированы с помощью гаек 4. На нижней поверхности верхней плиты 2 закреплен по центру коллектор для подачи горячего воздуха на образец, а на верхней поверхности данной плиты закреплен дефлектор 6, предназначенный для стабилизации и профилирования струи горячего воздуха. На верхней плите расположены четыре опоры 7 датчика перемещения, закреплённые к ней с помощь шпилек 8, гаек 9 и шайб 10. На опорах 7 располагается датчик перемещения точек внутренней поверхности исследуемого образца 11. Датчик перемещения точек наружной поверхности исследуемого образца 12 установлен на нижней плите 1. На датчике перемещения точек наружной поверхности исследуемого образца 12 установлены нажимные винты 13, предназначенные для контактирования с наружной поверхностью образца. Исследуемый образец закрепляется с помощью системы подвесов, изображенной в сечении А-А рис. 1. Система подвеса образца содержит сухари 14, соединяемые с датчиком 11 с помощью винтов 15. К сухарям 14 крепятся скобы 15, удерживающие образец и скобы 15 соединены с сухарями 14 с помощью винтов 17 и шайб 18.
Рис. 1. Схема механической части
Рис. 2. Внешний вид механической части
На рис. 1 приведены следующие элементы: 1 - нижняя плита, 2 - верхняя плита, 3 - стойка, 4 -гайка, 5 - коллектор, 6 - дефлектор, 7 - опора датчика, 8 - шпилька, 9 - гайка, 10 - шайба, 11 - датчик перемещения внутренней поверхности образца, 12 - датчик перемещения наружной поверхности образца, 13 - нажимной винт, 14 - сухарь, 15 - винт, 16 - скоба, 17 - винт, 18 - шайба, 19 - образец.
Датчик перемещения предназначен для преобразования механической величины - перемещения одной точки относительно другой в аналоговый сигнал, иными словами позволяет получить аналоговый сигнал - изменение потенциала как функцию перемещения двух точек относительно друг друга. Также в механическую часть входит устройство для тарирования датчиков.
Разработана и изготовлена электронная часть испытательного оборудования, а также разработано специальное программное обеспечение, позволяющее визуализироваться изменение параметров функционирования рабочей части оправки из материала с ЭПФ.
Электронная часть испытательного оборудования представляет систему сбора данных в виде аналоговых сигналов, которые она преобразует в аналоговый сигнал и передает через контроллер на
компьютер, где он регистрируется с помощью специально разработанной программы. Система сбора данных предназначена для сбора и мониторинга на компьютере данных о длительности сбора информации (в миллисекундах), температуре (2 канала измерений в градусах Цельсия) и перемещениях (3 канала в миллиметрах) с частотой 1 Гц или 10 Гц.
Структурная схема системы сбора данных представлена на рис. 3. В состав системы сбора данных входит: блок сбора данных и программное обеспечение для ПК, обеспечивающее возможность мониторинга, калибровки, сохранения и печати собранных данных.
А
Тензоусилитель (канал 1)
Тензоусилитель (канал 2)
Тензоусилитель (канал 3)
Кабель Контроллер
Персональный компьютер Программное обеспечение
Рис. 3. Структурная схема системы сбора данных
Блок сбора данных собран на контроллере Arduino-Uno (или аналогичном), имеющем 6 входов для сбора аналоговых данных с трех тензодатчиков перемещений, а также цифровые выводы для сбора данных с двух цифровых датчиков температуры. Контроллер оснащен портом mini-USB для кабельной связи с компьютером (скорость обмена данными 38400 Бод). Тензоусилитель служит для усиления аналоговых сигналов, поступающих с тензорезисторов, соединенных по полумостовой схеме. При этом измерительный мост содержит два тензорезистора, работающих в противофазе и два прецизионных постоянных резистора. Балансировка моста осуществляется регулировкой многооборотного подстроечного резистора до вывода рабочей точки в требуемое положение.
Питание тензоусилителя, контроллера и усилителя термопар осуществляется от напряжения 5В осуществляется от компьютера через USB порт. В качестве программного обеспечения может использоваться любая терминальная программа, работающая с последовательным портом Serial.
Проведение экспериментальных исслдований процесса функционирования рабочей части оправки для прецизионного шлифования. Перед началом экспериментов выполнена тарировка датчиков перемещения. Для этого датчики закреплялись в устройстве для тарировки. По разработанной методике включалась измерительная система, с помощью винта 9 задавалось перемещение консолей датчика на величину 0,1 мм, и оно контролировалось с помощью индикатора 12. Далее делалась выдержка 3.. .5 секунд, и задавалось следующее перемещение консоли датчика.
В результате получены графики тарировки для датчиков перемещений. Данные графики использовались для расшифровки циклограмм параметров функционирования рабочей части оправки из материала с ЭПФ.
После проведения тарировки датчиков исследуемый образец устанавливался по схеме, представленой на рис. 1, включалась измерительная ситема, с помощью фена HITACHI RH 600T на образец подавлся нагретый до 350°С воздух, затем, при достижении образцом температуры 150°C, подача нагретого воздуха прекращалась. При проведении данного цикла выполнялась запись циклограммы параметров процесса функционирования образца из материала с ЭПФ. Типовая циклограмма параметров процесса функционирования оправки для прецизионного шлифования из сплава с ЭПФ представлена на рис. 4.
Рис. 4. Типовая циклограмма параметров процесса функционирования оправки для прецизионного шлифования из сплава с ЭПФ
Таким образом, проведено исследование процесса функционирования для всех образцов. После обработки результатов экспериментов построена зависимость величины рабочего хода оправки от диаметра её отверстия, представленная на рис. 5.
0Д8
£ 5 ОДб
ос 0,14
X
&0,12
з
ей ОД
(и
с го 0,08
# 0,06
X
го 0,04
¡С
о 0,02
о
О 5 10 15 20 25
Диаметр отверстия, мм
Рис. 5. Зависимость величины рабочего хода оправки от диаметра её отверстия
Выводы. В результате проведенных экспериментальных исследований подтверждена адекватность используемой модели на основе которой может быть разработана методика проектирования оправки для прецизионного шлифования с рабочей частью из материала с ЭПФ.
Список литературы
1. Назаров Д.В., Ломовской О.В. Совершенствование процесса шлифования тонкостенных деталей // Итоги диссертационных исследований. Том 3. Материалы VII Всероссийского конкурса молодых учёных, посвящённого 70-летия Победы. М.: РАН, 2015. С. 21-26.
2. Назаров Д.В., Ломовской О.В., Плотников А.Н., Шаров А.А. Автореверсивная втулка из материала с ЭПФ для прецизионного шлифования тонкостенных осесимметричных деталей // Известия СНЦ РАН: Самара, 2016. Т. 18. №4. С. 1181-1185.
3. Ломовской О.В., Горяинов Д.С., Назаров Д.В., Плотников А.Н., Шаров А.А., Громова Е.Г. Компьютерное моделирование процесса функционирования автореверсивной втулки из материала с памятью формы // Известия СНЦ РАН: Самара, 2018. Т 20. №4(3). С. 422-426.
Антипов Дмитрий Вячеславович, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, antipov.dv@ssau.ru, Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С. П. Королева,
Ломовской Олег Владиславович, канд. техн. наук, доцент, oles.lomovskoi@yandex.ru, Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева,
Назаров Денис Викторович, ассистент, dennynaz@;yandex.ru, Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева,
Шаров Андрей Алекссевич, канд. техн. наук, доцент, aa. scharov@yandex.ru, Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет имени академика С.П. Королева
EXPERIMENTAL STUDIES OF THE WORKING PART OF THE MANDREL FOR PRECISION GRINDING MADE OF MATERIAL WITH EPF IN LABORATORY CONDITIONS
D.V. Antipov, O.V. Lomovskaya, D.V. Nazarov, A.A. Sharov
Experimental modeling of the process of functioning of a bushing made of material with the shape memory effect was carried out, which allowed deeper investigation of the processes occurring in the material and affecting the operability of technological equipment. The experimental research methodology was developed, experimental equipment and equipment were designed and manufactured. As a result of comparing the results of digital modeling with the results of full-scale, the adequacy of analytical and numerical models was established. In the future, previously obtained models of the functioning of the working part of the equipment -bushings made of material with the shape memory effect can be used to design technological equipment for precision grinding of thin-walled parts ofprecision mechanics products.
Keywords: sleeve made of material with shape memory effect, experimental modeling, displacement, deformation, stress.
Antipov Dmitry Vyacheslavovich, doctor of technical sciences, professor, head of the department, antipov.dv@ssau.ru, Russia, Samara, Samara National Research University named after Academician S.P. Korolev,
Lomovskoy Oleg Vladislavovich, candidate of technical sciences, docent, oleg.lomovskoi@yandex.ru, Russia, Samara, Samara National Research University named after Academician S.P. Korolev,
Nazarov Denis Viktorovich, assistant, dennynaz@yandex. ru, Russia, Samara, Samara National Research University named after Academician S.P. Korolev,
Sharov Andrey Aleksevich, candidate of technical sciences, docent, aa.scharov@yandex.ru, Russia, Samara, Samara National Research University named after Academician S.P. Korolev
УДК 621.9.08
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-4-416-319
ВЛИЯНИЕ РЕЖИМА СМЕНЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО НАКОНЕЧНИКА КИМ НА РЕЗУЛЬТАТ
ИЗМЕРЕНИЙ
С.М. Никольский
В данной статье рассмотрено устройство и назначение измерительного наконечника КИМ, магазина щупов. Был проведен эксперимент по выявлению влияния режима смены измерительного наконечника на результат измерений на примере калибра кольца.
Ключевые слова: КИМ, измерительный наконечник, щуп, датчик касания, магазин щупов.
Ввиду различных причин, в процессе выполнения измерений на КИМ возникает необходимость смены датчика касания (измерительного щупа). В зависимости от установленного «магазина щупов» данная операция проводится как в автоматическом, так и в ручном режимах. При автоматическом режиме смены датчика (рис.1), измерительная головка перемещается по заданным координатам к конкретному слоту «магазина щупов» (рис.2) и в течение непродолжительного времени производит замену.
416
