CC BY
17
УДК 621.791.762
ИССЛЕДОВАНИЕ ТОПОГРАФИИ ТОКА ПРИ КОНТАКТНОЙ СВАРКЕ Т-ОБРАЗНЫХ СОЕДИНЕНИЙ МАЛОГАБАРИТНЫХ ДЕТАЛЕЙ Иванов Николай Иванович, к.т.н., доцент
(e-mail: [email protected]) Куковякин Николай Иванович, аспирант Терещенко Андрей Сергеевич, магистрант Юго-Западный государственный университет, г.Курск, Россия
Проведенными исследованиями на плоских моделях выявлены особенности распределения неравномерного электрического поля при контактной сварке Т-образных соединений, выполняемых по двум технологическим схемам подвода тока к корпусной детали.
Ключевые слова: контактная сварка, Т-образное соединение, плоская металлическая модель, электрическое поле, эквипотенциальные линии, распределение плотности тока.
При контактной сварке тепловыделение в элементарном объеме соединяемых деталей в основном определяется величиной удельного электросопротивления металла при данной температуре pt и плотностью электрического тока j [1]. Значение потенциалов и плотности тока в различных точках деталей неодинаково вследствие существования неравномерного электрического поля или поля источников тепла. Изучение распределения плотности тока в соединяемых деталях позволяет прогнозировать области повышенного тепловыделения, т.е. характер температурного поля в деталях, и обоснованно осуществлять выбор технологических схем сварки, конструкции и материала электродной оснастки, рационального цикла и параметров режима сварки [2].
Электрическое поле при контактной сварке, без учета контактных сопротивлений, обычно симметрично оси электродов (Z). Поэтому достаточно изучить распределение плотности тока в осевом сечении. Экспериментальное изучение распределения плотности тока непосредственно в свариваемых деталях при контактной сварке невозможно ввиду малых размеров зоны сварки и скоротечности протекания процесса. Поэтому исследование электрического поля в деталях проводится с помощью плоских металлических моделей и расчетов на ЭВМ [3]. Плоская модель, выполняемая из то-копроводящей бумаги или металлической фольги, представляет собой плоское осевое сечение электродов и деталей в увеличенном масштабе. Электропроводность различных участков модели выбирается одинаковой или пропорциональной электропроводности соответствующих участков натурных образцов. Толщина модели выбирается одинаковой. Через модель пропускается постоянный ток (8...10) А, и с помощью щупа выявляются эквипотенциальные линии, представляющие собой геометрическое
место точек, имеющих один и тот же потенциал. Существование неравномерного электрического поля в деталях определяется главным образом геометрическим фактором, связанным с конструкцией деталей и используемой электродной оснастки.
При определении плотностей тока по потенциалам модели на нее накладывается миллиметровая бумага с сеткой из квадратных ячеек. Длина стороны ячейки подбирается таким обрезом, чтобы по толщине тонкой детали на модели помещалось от 4 до 8 узлов точек сетки в зависимости от желаемой точности измерения. Граничные узловые точки сетки располагаются по отношению к краям деталей модели на расстоянии, равном половине стороны ячейки. С помощью иглы-щупа прокалывается бумага в узлах сетки и замеряются значения потенциалов относительно базовой точки О, расположенной на части модели, имитирующей электрод. Плотность тока определяется по формуле:
Для сравнительной оценки распределения плотности тока целесообразно их представлять в относительных единицах )/)ср. За единицу принимается средняя плотность тока в контакте электрод-деталь. Соединив точки модели с одинаковыми значениями относительной плотности тока, получаем поле плотности тока в относительных единицах.
По данной методике проведено исследование распределения источников выделения тепла в процессе сварки Т-образных соединений медной проволоки диаметром 0,6 мм с корпусной деталью в форме колпачка из тонколистового томпака Л90, толщиной 0,15 мм. Такие соединения являются характерным конструктивным элементом широкой номенклатуры различных радиодеталей в корпусном исполнении [4], выполняемым в массовом производстве высокопроизводительным способом стыковой сварки сопротивлением на автоматах. Особенностями процесса сварки являются асимметрия нагреваемых и деформируемых объемов относительно стыка и формирование соединения в твердой фазе. В производстве для сварки используются две технологические схемы подвода тока к корпусной детали - внутренний токоподвод (электродом-стержнем) и наружный (электродом-губкой) [5]. Исследование проводилось на моделях, выполненных в масштабе 100:1.
При расчете на ЭВМ относительной плотности тока весь массив был
=
И - сторона ячейки, м; фГ2 - потенциал точки, В. В граничных точках:
■ _ Фг,г~Фг+1,г
=
Фг,г+1 Фг,г ^Рм
разбит на три участка. Это значительно упростило алгоритм решения задачи, так как весь массив был разбит на участки с простейшей геометрической формой и однородными свойствами материалов в пределах каждого участка(рис. 1).
Рис. 1 - Схемы плоских моделей Т-образных соединений и расчётные сечения: а - с внутренним подводом тока к корпусной детали; б - с наружным подводом тока
На рис. 1 обозначены римскими цифрами сечения, в которых распределение плотности тока представляло интерес.
По результатам моделирования и расчётов электрического поля тока на
модели, имитирующей продольное сечение свариваемых деталей и электродов, получено распределение относительных плотностей тока в интересующих сечениях (рис. 2).
а б
Рис. 2 - Распределение относительной плотности тока на плоских моделях Т-образных соединений : а - с внутренним подводом тока к корпусной детали; б - с наружным подводом тока
Как показано на рис. 2,а , при сварке по технологической схеме с внутренним подводом тока к корпусной детали (рис. 1,а), распределение плотности тока в сечении II-II проволочной детали возле торца электрода (губок) очень неравномерно и вблизи контакта губки-проволочная деталь в 2,5...3 раза превышает плотность тока в осевой точке сечения. Очевидно, это может быть связано с сильным искривлением линий тока в контакте, о чём в реальных условиях свидетельствует характер износа губок в сварочном автомате - их выгорание в этом месте. Аномальное интенсивное тепловыделение приводит не только к быстрому износу губок, но и, как следствие, к увеличению установочной длины (вылета) проволочной детали,
что нарушает оптимальные условия нагрева и деформации металла в зоне сварки.
В среднем, по длине проволочной детали, сечении III-III распределение плотности тока становится равномерным, но по абсолютной величине плотность тока здесь увеличена из-за повышения потенциалов ф, связанного с большей температурой нагрева на данном участке массива.
В свариваемом контакте IV-IV величина плотности тока немного снижается около оси Z проволочной детали, а ближе к периферии контакта она несколько выше, чем в сечении III-III. В целом распределение тока относительно неравномерно по этому сечению, что обусловлено искривлением линий тока, связанного с дальнейшим шунтированием его в материале корпусной детали и электрода (стержня).
В среднем сечении корпусной детали V-V степень неравномерности тока и его величина резко возрастают от оси Z к периферии. Так, по оси деталей в этом сечении плотность тока в 1,5.1,7 раза выше, чем в сечениях III-III и IV-IV проволочной детали, а к границе условно выделенного цилиндра с диаметром, равным диаметру проволоки, она больше в 2. 2,5 раза, чем в соответствующих участках. Это свидетельствует о доминирующем влиянии источника выделения тепла в сечении V-V корпусной детали. Как показано на графике, наибольшая плотность тока, в 2,8.3 раза превышающая плотность тока в сечениях II-II и III-III, наблюдается в околоосевых точках сечения VI-VI контакта электрод-корпусная деталь, но она резко снижается к наружной поверхности электрода. В данном контакте находится зона максимального тепловыделения. Это подтверждается тем, что в условиях производства эрозия и износ вольфрамового электрода (стержня), в виде образования лунки, происходит именно в этом месте. В этом месте также наблюдается и подплавление внутренней стенки корпусной детали. Поэтому, при испытании сварных соединений на отрыв под углом [6], разрушение происходит со сквозным вырывом стенки корпусной детали, являющейся из-за сильного перегрева наиболее слабым сечением Т-образного соединения.
Вглубь электрода-стержня (сечение VII-VII) плотность тока выравнивается по сечению и становится соизмеримым с плотностью тока в свариваемом контакте и проволочной детали.
При сварке по технологической схеме с наружным подводом тока к корпусной детали (рис. 1,б), распределение плотности тока, как показано на рис. 2,б , в сечении II-II и в среднем, по длине проволочной детали, сечении III-III распределение плотностей тока такое же, как и в предыдущем случае (рис. 2,а).
В свариваемом контакте IV-IV величина плотности тока очень неравномерно по сечению - в направлении от оси Z к периферии контакта она увеличивается более, чем в 8 раз. То же самое можно сказать и о распределении поля электрического тока в сечении V-V, где степень неравномерности тока и его величина резко возрастают от оси Z к периферии.
Таким образом, расчёт плотностей тока на ЭВМ показал, что, при сварке Т-образных соединений малогабаритных деталей по технологическим схемам с внутренним и наружным подводом тока к корпусной детали, с использованием электродов из тугоплавких материалов, распределение источников тепла характеризуется резкой неравномерностью в переходных контактах, которые являются одновременно основными источниками выделения тепла. Это неблагоприятно сказывается на условиях протекания процесса сварки, и способствует в реальных условиях массового производства снижению его стабильности.
Список литературы
1. Технология и оборудование контактной сварки: Учебник для машиностроительных вузов / Б.Д. Орлов, А.А. Чакалев, Ю.В. Дмитриев и др.; Под общ. ред. Б.Д. Орлова. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1986. - 352 с.
2. Тарасов П.М., Цехмистер И.М. Поле тока в деталях при точечной сварке с обжатием периферийной зоны // Автоматическая сварка. 1974. № 2. С. 9-11.
3. Каганов Н.Л., Лобасов И.М. Исследование электрического поля тока на плоских металлических моделях // Известия ВУЗов. Машиностроение. 1976. №4. С. 131-135.
4. Иванов Н.И., Строев В.И., Дюдин В.Н. Приближенная оценка теплового состояния деталей при стыковой сварке сопротивлением контактных узлов // Сварочное производство. 1986. №7. С. 33-34.
5. Евтифеев П.И. Стыковая микросварка (технология и оборудование). - Л.: Машиностроение (Ленингр. отд-ние), 1977. 208 с.
6. Строев В.И., Иванов Н.И., Дюдин В.Н. Оценка качества сварки контактной арматуры резисторов в массовом производстве // Сварочное производство. 1981. №2. С. 15-17.
7. Компьютерные технологии в сварочном производстве/ Рыжков Ф.Н., Крюков В.А., Котельников А.А.// Курск, 2000.
8. Котельников А.А., Абышев К.И., Алпеева Е.В., Компьютерное моделирование в сварочном производстве/ Брусенцев А.А.// Курск, 2013.
9. Роботизированная сварка многосортаментных трубчатых элементов/ Алпеева Т.В., Емельянов В.М., Котельников А.А.// Минобрнауки России, Федеральное гос. бюджетное образовательное учреждение высш. проф. образования "Юго-Западный гос. ун-т". Курск, 2011.
10. Применение метода конечных элементов в расчётах сварных конструкций/ Котельников А. А., Абышев К.И., Алпеева Е.В.// Курск, 2014.
11. Технологическое оборудование и оснастка в составе ртк сборки и сварки крупногабаритных узлов/ Алпеева Т.В., Котельников А.А.// Сварочное производство. 2006. № 4. С. 33-35.
12. Оптимальные параметры диффузионной сварки титановых сплавов различного фазового состава/ Гельман А. А., Колодкин Н.И., Котельников А. А., Башурин А.В.// Автоматическая сварка. 1977. № 4. С. 53-57.
13. Видеосенсорное устройство/ Котельников А. А., Дмитриев С.В.// патент на изобретение RUS 2155653 08.06.1998
14. Применение метода конечных элементов при расчете сварной двутавровой балки/ Котельников А.А., Алпеева Е.В.// В сборнике: Перспективное развитие науки, техники и технологий, материалы 3-й Международной научно-практической конференции: в 3-х томах. Ответственный редактор Горохов А.А.. 2013. С. 168-171.
15. CAD/CAM/CAE системы/ Котельников А.А.// учебное пособие / Курск, 2014.
16. Автоматизация процесса перехода от опытных единичных технологий к типовым и групповым технологическим процессам в условиях серийного выпуска изделий/
Пономарев В.В.// В сборнике: Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации, материалы VIII Международной научно-технической конференции: в 2 частях. Ответственный редактор: Е.И. Яцун. 2011. С. 289-294.
17. Рационализация технологических процессов изготовления и сборки изделий при переходе от опытного к серийному производству/ Пономарев В.В.// В сборнике: Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации, материалы IX-ой Международной научно-практической конференции. Ответственный редактор: Горохов A.A.. 2012. С. 290-294.
18. Организация технологической подготовки производста изделий с использованием поэтапной автоматизации проектирования/ Пономарев В.В.// В сборнике: Машиностроение - основа технологического развития России (ТМ-2013) сборник научных статей V Международной научно-технической конференции. 2013. С. 523-527.
19. Aнализ конструкции фрез и пластин фирмы TAEGUTEC/ Жердева Н.Д., Круговых К.В., Пономарев В.В.// В сборнике: Перспективное развитие науки, техники и технологий, сборник научных статей материалы IV Международной научно-практической конференции.. 2014. С. 98-102.
20. Determining the geometric parameters of a sheared layer in drilling of nonferrous metals and alloys with the use of axial vibrations/ Emel'yanov S.G., Sidorova V.V., Ponomarev V.V., Razumov M.S.// Chemical and Petroleum Engineering. 2017. Т. 52. №2 11-12. С. 796800.
21. Метод определения положения зубьев сборной дисковой фрезы с конструктивной радиальной подачей/ Куц В.В., Пономарев В.В.// Вестник Воронежского государственного технического университета. 2017. Т. 13. № б. С. 81-85.
22. Определение закономерности перемещения подвижного электрода в процессе конденсаторной сварки крестообразных проволочных соединений/ Иванов Н.И., Шумаков A.A.// Современные материалы, техника и технологии. 2016. № 4 (7). С. 73-80.
23. Определение закономерности изменения температуры в зоне контакта при конденсаторной сварке проволочных соединений/ Иванов Н.И., Шумаков A.A.// Современные материалы, техника и технологии. 2017. № 1 (9). С. 108-113.
24. Экспериментальная установка для контактной сварки технологических образцов межэлементных соединений аккумуляторных батарей/ Иванов Н.И., Борисов П.Ю. Современные материалы, техника и технологии. 2015. № 1 (1). С. 96-100.
25. Стабилизация температуры нагрева регулированием усилия осадки при конденсаторной сварке крестообразных проволочных соединений/ Иванов Н.И., Шумаков A.A.// Современные материалы, техника и технологии. 2017. № 3 (11). С. 51-59.
26. Aнализ влияния параметров процесса на температуру при конденсаторной сварке крестообразных проволочных соединений/ Иванов Н.И., Шумаков A.A.// Современные материалы, техника и технологии. 2017. № 2 (10). С. 40-50.
27. Исследование кинетики формирования т-образных соединений малогабаритных деталей при контактной сварке с комбинированным механизмом осадки/ Иванов Н.И., Волков Б.В.// Известия Юго-Западного государственного университета. Серия: Техника и технологии. 2012. № 2-3. С. 22-25.
28. Aнализ методов автоматического управления процессом контактной сварки т-образных соединений малогабаритных деталей/ Иванов Н.И.// Сварочное производство. 2003. № 8. С. 20-25.
29. Разработка бытового аппарата для контактной сварки с инверторным источником питания/ Иванов Н.И., Aбышев К.И., Романенко Д.Н., Маслов Г.С.// Современные материалы, техника и технологии. 2016. № 1 (4). С. 71-75.
30. Проектирование вторичного контура бытового аппарата для контактной сварки/ Иванов Н.И., Маслов Г.С., Шумаков A.A.// Современные материалы, техника и технологии. 2016. № 1 (4). С. 76-82.
Ivanov Nikolay Ivanovich, Candidate of Sciences, Associate Professor (e-mail: [email protected])
Kukovjakin Nikolay Ivanovich, the post-graduate student Tereshchenko Andrey Sergeevich, postgraduate Southwest state university, Kursk, Russia
RESEARCH OF TOPOGRAPHY OF THE CURRENT AT CONTACT WELDING Т-SHAPED CONNECTIONS SMALL-SIZED DETAILS
The lead researches on flat models reveal features of distribution of a non-uniform electric field at contact welding the Т-shaped connections which are carried out under two technological circuits of a supply of a current to a case detail.
Key words: contact welding, Т-shaped connection, flat metal model, an electric field, lines of equal potential, distribution of density of a current.
УДК 621.9
РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ МОДУЛЬНЫХ ФРЕЗ ДЛЯ ОБРАБОТКИ КРУПНОМОДУЛЬНЫХ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС Козлов Александр Михайлович, д.т.н., проф., заведующий кафедрой «Технология машиностроения» (е-mail: [email protected]) Савенков Дмитрий Романович, магистр, (е-mail: [email protected]) Козлов Андрей Александрович, к.т.н., доцент (е-mail: [email protected]) Липецкий государственный технический университет, г.Липецк, Россия
Рассматривается проблема эффективного использования инструмента при нарезании крупномодульных зубчатых колес на универсальном зубо-фрезерном станке.
Ключевые слова: зубофрезерование крупномодульных колес, дисковые модульные фрезы, твердосплавные пластины.
Крупномодульные зубчатые колеса находят широкое применение в узлах металлургического оборудования. Эксплуатационные свойства характеризуются состоянием поверхностного слоя зубчатых колес, которые формируются на операциях технологического процесса их изготовления. Один из важных показателей - надежность, которая в значительной мере определяется эксплуатационными свойствами зубчатых цилиндрических колес, такими как: пределом выносливости, износостойкостью, коэффициентом трения, контактной жесткостью, прочностью и т.д. При конструк-торско-технологической подготовке производства, назначение технологическое параметров обработки, выборе оснастки и инструмента следует опираться на научный подход и технические расчеты во избежание необоснованно завышенных требований, а следовательно, и удорожанию выпускаемой продукции [1, 2].
В ремонтном заводе металлургического оборудования осуществляется в основном единичное производство зубчатых колес, имеющих разные па-
