Исследования влияния параметров импульсного электрического воздействия на модуль упругости материала Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

ТЕХНОЛОГИЯ И ОБОРУДОВАНИЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ И ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКИ

УДК 621.91.01

ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ ПАРАМЕТРОВ ИМПУЛЬСНОГО ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ НА МОДУЛЬ УПРУГОСТИ

МАТЕРИАЛА

С.В. Сальников

Проведены экспериментальные исследования влияния импульсного электрического воздействия на модуль упругости материала заготовки в процессе резания. Предложена методика экспериментальных исследований. Изложено обоснование способа и средств измерений изменений модуля упругости. Произведена предварительная теоретическая оценка динамики механической системы при изменении ее жесткости под действием импульсного электрического воздействия.

Ключевые слова: модуль упругости, импульсный электрический ток, генератор импульсов, динамика деформации, экспериментальные исследования.

Целью проведения экспериментальных исследований является подтверждение ранее известных исследований Вайдемана и выдвинутых теоретических положений [1,2,3] о влиянии электрического тока на механические характеристики материалов, при их обработке резанием в условиях интенсификации процесса.

Для упрощения технической реализации экспериментальных исследований в качестве генератора одиночных импульсов выбран источник с емкостным накопителем и тиристорным ключом. Использование емкостного накопителя позволяет однозначно и достаточно просто задавать амплитуду и энергию импульсов. Схема генератора одиночных импульсов приведена на рис.1.

Генератор одиночных импульсов (ГОИ) включает в себя:

- регулируемый автотрансформатор ТУ1 для задания требуемого значения напряжения на накопительном конденсаторе С1 (амплитуды и энергии импульсов тока);

- повышающий трансформатор ТУ2 для гальванической развязки станка и экспериментальной установки от сети;

349

- ограничивающее сопротивление Я1, выбирается из условия закрывания тиристора УТ1 после формирования единичного импульса (иуаг / Я1 < 1уаут1, где 1ус1УТ1 - ток удержания тиристора УТ1);

- однополупериодный однофазный выпрямитель на диоде УБ1;

- накопительный конденсатор Суаг, для однозначного задания энергии импульса;

- вольтметр У для контроля напряжения на накопительном конденсаторе;

- цепь запуска силового тиристора УТ1: ограничивающее сопротивление Я2 и кнопка 8Б1;

- балластное сопротивление Яб, используется для отладки ГОИ.

Рис.1. Схема генератора одиночных импульсов

Для моделирования условий экспериментов в требуемом диапазоне изменения энергии и амплитуды импульсов тока выбраны следующие параметры элементов схемы:

- балластное сопротивления Яб - проволочное номиналом 0,25 Ом (50 Вт);

- силового тиристора УТ1 - ТВ253-1000 (номинальный ток 1355А, напряжение до 2500В, время включения 3мкс, ток удержания 1уаут1

=300мА), выдерживает ударные токи в 10 - 20 раз превышающие номинальные их значения (1уаут 1=22кА), в исследованиях амплитуда импульсов ограничена I а тах = 1500А;

- накопительный конденсатор Суаг - батарея конденсаторов МБГВ из 5шт. емкостью по 50мкФ 1000В;

- цепь управления Я2=5,6кОм (0,5 Вт) - обеспечивает необходимый ток управления тиристором УТ1: 1уПут1 =200мА;

- ограничивающее сопротивления Я1 номиналом 1500Ом (ПВ 25);

- диод выпрямителя УБ1 - Д253 (номинальным током 50 А, напряжением 600В);

- автотрансформатор ТУ1 ТР/1 (ТБОС2-1) и трансформатор ТУ2 -ОСМ160-220/380, позволяют изменять напряжение от на накопительном конденсаторе от 0 до 540В.

Токопроводы выполнены из гибкого многожильного провода МГВ 0.5 с числом проводников в каждом 20шт. Причем для подвижного элемента экспериментальной установки короткий участок токопровода с целью уменьшения его влияния на динамику наблюдаемых процессов выполнен из медного провода ПЩ 1,0 (ГОСТ 26437-85) длиной 50мм.

Для обоснования способа и средств измерений изменений модуля упругости произведена предварительная теоретическая оценка динамики механической системы при изменении ее жесткости под действием импульсного электрического воздействия.

Модель такой системы при наличии предварительно приложенного растягивающего усилия может быть описана уравнением 2-го порядка. Для упрощения дальнейших математических выкладок приняты допущения о том, что демпфирование отсутствует, вид функции изменения жесткости имеет форму прямоугольного импульса. В рассмотренных условиях моделирования они не приводят к грубым ошибкам и обеспечивают достаточную для оценочных расчетов точность:

т(Х0 + Ах)" + (С0 - АС)(Х0 + Ах) = %

где т,^0, С^, Fo - масса, исходные значения деформации, жесткости и растягивающего усилия соответственно; АС, Ах - величина скачкообразного изменения жесткости под действием электрического воздействия и вызванное им изменение деформации образца соответственно.

Предполагая, что в процессе эксперимента усилие предварительного растяжения не изменяется и пренебрегая бесконечно малыми высшего порядка малости, получим уравнение

тАх + (С0 Ах - АСХ0) = 0.

Перейдя к относительным переменным

хI = Ах/Х0; СI = АС/С0, уравнение принимает вид

Тпр х1 + х1 = С1();

С1 (*) = С10 • ) - - Т)),

где Тпр = ^т /С0 - постоянная времени системы (проволоки); С^-

максимальное изменение жесткости, вызванное электрическим воздействием; Т - длительность импульсного изменения жесткости.

При нулевых начальных условиях

С.„ (1 - соэ(—*—)) где * < Т., Юч Т I

х. (*) =

пр

* - Т.

А. соэ(-L + ^ ) где * > Т.,

I Т к I

пр

где ^ — arctg (

- 5ш(У/ / Тпр ) (1 - С08(Т/ / тпр ))

^^^=с

/ 0

(1 - ^(Т// ТПр))

С08

<Рк

Для безразмерных параметров: а — Т/ / Тпр , — 1/ Т1, х/0 — х/ / С/о построена динамика деформации исследуемого образца при импульсном изменении его жесткости (рис.2).

а б

Рис.2. Динамика деформации исследуемого образца при импульсном

изменении его жесткости: а — 0;1 -а — 0.3; 2-а — 0.2; б -Ь — 0.2/а; 1 -а — 0.5; 2-а — 1.0

Из полученных зависимостей видно, что величина ожидаемого удлинения исследуемого образца в момент завершения электрического импульса при а — 0,3 не превышает Ах — (0,02...0,05) АС, максимально возможное воспроизведение изменения жесткости достигает 30% от ожидаемого значения, причем по истечении времени ¿0 — 5, то есть при 1 — 1 5Т

Удлинение проволоки в конце действия импульса %к 0 — (1 - С0Б(а))

показывает, что максимальная достоверность воспроизведения изменения ее жесткости достигается приа — р /2 или Тпр — 2Т/ /р, то есть при постоянной времени образца, по крайней мере, в 1,5 раз меньшей длительности импульсного воздействия. На практике реализовать такое условие достаточно трудно, поскольку и постоянная времени Тпр — I - ^g / Е и чувствительность системы Ах / АЕ »I - ^0 / БПр пропорциональны длине проволоки.

В дальнейших исследованиях использованы а — 0.3 и электронный способ фиксации удлинения образца с временем измерения Т1г < Т1 » 30 I еп.

В качестве исследуемого образца, выбрана проволока из стали 40Х (&ех —1.4 -109Н/М2, Еех — 2.3 -1011 Н/М2) сечением 0.45мм2. Принятое значение а — 0.3 для Т/ — 35мкс обеспечивается при ТПр — 105/ее. При же-

сткости Сех » 2,0 105 Н /М этому условию соответствует длина проволоки = 0,51 и критическое значение деформации д/ » 3 г г .

Учитывая данные опыта Вайдемана ожидаемое изменение жесткости исследуемого образца Сю=0.2. Вызванные этим абсолютное значение удлинения исследуемого образца в зависимости от способа его регистрации и длительности электрического воздействия составит 0,02...0,4мм. Таким образом, точность измерения перемещения контролируемого конца проволоки должна быть не менее 0.01мм, а время регистрации - не более 15мкс. Динамические и точностные характеристики деформационного процесса накладывают ограничения на диапазон изменения параметров импульсного электрического воздействия, в частности длительность должна быть не менее Т1 = 3 5 г ёп , а амплитуда (0.2..0.8) Iа шах .

Для проведения исследований влияния параметров импульсного электрического воздействия на жесткость образцов использована экспериментальная установка с устройством фиксации деформации (УФД), обеспечивающая фиксацию быстро изменяющихся процессов (см. рис.3).

Устройство фиксации деформации включает в себя вспомогательного источника питания Ео = 24 В, развязывающий диод УЭ3, фильтр С1, цепочку индикации достижения установленного порога растяжения образца: светодиод У02, ограничивающее сопротивление Я3, тиристор УТ2 и кнопка сброса в исходное состояние 8Б2. Чувствительным элементом устройства является подвижный контакт с настраиваемым с помощью микрометрического винта положением. При касании флажка с ним в результате удлинения образца под действием импульсов тока, через сопротивление Я4 включается тиристор и зажигается светодиод. Он горит до тех пор, пока цепь не будет сброшена кнопкой 8Б2. Время регистрации равно времени срабатывания УТ2 (КУ202В) ТЪк » 7...8 г ёп < Т1г < Т .

Схема установки для исследования влияния параметров импульсного электрического воздействия на модуль упругости исследуемого образца приведена на рис.3.

а

Рис.3. Схема установки для исследования влияния параметров импульсного электрического воздействия на модуль упругости

353

Последовательность экспериментальных исследований, следующая:

1) задавалось значение нагрузки начиная с 0,2 Fjp;

2) в генераторе устанавливался режим формирования импульсов с заданными параметрами: длительностью 35мкс и амплитудой начиная от

°-2 1A max ;

3) производилась настройка подвижного проводника на касание с флажком и последующим пошаговым (Дх) отводом подвижного контакта на больший зазор;

4) на каждом шаге изменения зазора через образец пропускались импульсы тока в количестве не менее 5;

5) контролировался момент прекращения загорания сигнального светодиода, зазор каждый раз увеличивался на Дх до тех пор пока ни один из 5-и импульсов опыта не зажигает его;

6) производилось последовательное увеличение амплитуды импульсов с шагом 0,2 I a max до 0,8 I a max и повторение опытов начиная с п.3;

7) производилось последовательное изменение нагрузки с шагом 0,2 Fkpдо 0,8 Fkp и повторение опытов начиная с п.3;

Настройка подвижного проводника Дх, соответствующая загоранию регистрирующего светодиода, производилась для каждого сочетания значений F ,U var. Она осуществлялась следующим образом: при заданном значении нагрузки проводник сближался до его касания с флажком, об этом свидетельствовало загорание регистрирующего светодиода. После сброса схемы подвижный проводник последовательно отводился от флажка с фиксированным шагом Dxsh = 0.005мм. Через исследуемый образец пропускалось не менее 5-и импульсов, каждый раз регистрировалось загорание светодиода. Увеличение настройки заканчивалось с прекращением загорания светодиода. Средние значения приращений величины деформации под действием импульсного тока определялось по формуле

n In

Дх = £ К, DxJ I Ki , i=1 / i=1

где Ki - число загораний светодиода при Dxi; n - число опытов в с заданными F ,Uvar, в которых светодиод загорается хотя бы один раз(таблица).

Средние значения приращений величины деформации под действием

импульсного тока

Номер опыта F, H Величина настройки подвижного проводника Дх, мм

и=100В и=200В и=300В и=400В

1 150 0.01 0.05. 0.14 0.28

2 300 0.02 0.11 0.28 0.58

3 450 0.03 0.17 0.42 0.86

Окончание

Номер опыта F, H Величина настройки подвижного проводника Dx, мм

и=100В и=200В и=300В и=400В

4 600 1.5 0.22 0.56 1.15

По результатам, приведенным в таблице построена зависимость удлинения исследуемого образца от приложенной нагрузки и амплитуды импульсного воздействия (рис.4).

О 100 200 300 400 ÍOO 600

Рис.4. Зависимость удлинения исследуемого образца от приложенной нагрузки при различных относительных значениях напряжения

Uо =—U— на накопительном конденсаторе: 1(круг)- Uо = 0.2;

U max

2(квадрат) -Uо = 0.4; 3(круг залитый) -Uо = 0.6; 1(квадрат залитый) -Uо = 0.8

Полученные результаты подтверждают влияние импульсного электрического воздействия на модуль упругости материала. Аппроксимация зависимостей, приведенных на рис.4 квадратичным полиномом

Ej = E(1 -1.97 • 10-7iA), приведена на рис.5.

N

О 200 400 600 S00 1000 1200

Рис.5. Зависимость модуля упругости исследуемого образца от амплитуды импульсного электрического воздействия: 1(квадрат) -экспериментальные данные; 2 - аппроксимирующая зависимость

355

Из-за большой неоднозначности результатов измерения удлинения исследуемого образца при T < 30мкс (C < 200мкГ) зависимостей аналогичных приведенным на рис. 4 и 5 получить не представилось возможным. Это, вероятно, связано с инерционностью и не жесткостью измерительной системы. Из приведенных графиков видно, что аппроксимирующая функция хорошо согласуется с экспериментальными данными при изменении амплитудных значений токов до 1000А.

На основании проведенных исследований можно сделать вывод, при интенсификации процессов резания дискретным электрическим воздействием необходимо учитывать изменение модуля упругости материала в зоне резания. При амплитудах импульсов тока 1000А и более Он может уменьшиться в определенных условиях на 20...25%. Это хорошо согласуется с известными исследованиями Вайдемана.

Работа выполнялась в рамках проекта РФФИ 15-48-03270 р_центр_а «Развитие теории интенсификации механизмов направленного разрушения материала электрическим воздействием на зону упругопла-стического деформирования».

Список литературы

1. Шадский Г.В.,Ерзин О.А., Сальников С.В. Дискретная модель движения стружки по передней поверхности режущего клина // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2012. Вып.11.Ч.2. С. 553-560.

2. Шадский Г.В.,Ерзин О. А., Сальников С.В. Математическое описание процесса управления разрушением материала в зоне резания // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. Вып.11.Ч.2. С. 395-401.

3. Шадский Г.В.,Ерзин О. А., Сальников С.В. Управления процессом стружкообразования // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. Вып.1. С. 99-109.

4. Сальников В.С.,Шадский В.Г., Ерзин О. А.Идентификация параметров состояния зоны резания// Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2009. Вып.4. С. 244-253.

5. Шадский В.Г.,Ерзин О. А., Сальников С.В. Один из аспектов разрушения материала в зоне резания при действии электрического тока // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2011. Вып.3.С. 305-309.

Сальников Сергей Владимирович, аспирант, sergeysalnikov@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

RESEARCH OF INFLUENCE OF PARAMETERS OF PULSED ELECTRIC EXPOSURE ON THE MODULE OF ELASTICITY OF MATERIAL

S.V. Salnikov

Experimental studies of the effect of pulsed electrical action on the modulus of elasticity of the workpiece material during the cutting process are carried out. A technique for experimental studies is proposed. The rationale for the method and means for measuring changes in the modulus of elasticity is described. A preliminary theoretical evaluation of the dynamics of a mechanical system with a change in its rigidity under the action of a pulsed electrical action is made.

Key words: modulus of elasticity, pulsed electric current, pulse generator, dynamics of deformation, experimental studies.

Salnikov Sergey Vladimirovich, postgraduate, sergeysalnikov@yandex.ru, Russia, Tula, Tula State University

УДК 621.91.01

УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОТОКОВОЙ ИНТЕНСИФИКАЦИИ

ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ

С.В. Сальников

Представлен эффективный метод обработки высокопрочных и твердых сталей путем введения электрического тока в зону резания. Предложено устройство интенсификации процесса резания позволяющее распределять электрический ток в зоне контакта инструмента и заготовки пропорционально контактным электрическим напряжениям, формируя распределенные по поверхности отталкивающие электродинамические силы. Это позволяет снизить коэффициент трения между трущимися поверхностями: инструмента, заготовки и стружки, а также в плоскости сдвига.

Ключевые слова: зона резания, электрический ток, упругопластическое деформирование, интенсификация.

На основании известного подхода к интенсификации процесса резания дискретным электрическим воздействием [1-3] разработан алгоритм обработки металлов с подачей электрического тока в зону резания, заключающийся в том, что ток подводят импульсами, регулируют длительность и частоту в зависимости от условий обработки и синхронизируют их с фазой упругопластического деформирования материала в зоне резания. Предложено импульсы подавать в момент совпадения соответствующих полуволн определенного комплектагармонических составляющих колебаний сил резания, длительность импульса выбирать в соответствии задержкой начала пластического течения обрабатываемого материала, а их амплитуду определять по установленной функциональной зависимости IA = f (Ь,£,Sp,т,Ь), где Ъ, S- глубина резания и подача на оборот, оp,т

- предел прочности и абсолютная магнитная проницаемость обрабатываемого материала; h - толщина зоны дефектности в окрестности плоскости сдвига, а при сегментном стружкообразовании - длина сегмента стружки.

357