Методика расчета инструмента с непрофилированной рабочей частью Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК 621.9.047

Машиностроение и машиноведение

МЕТОДИКА РАСЧЕТА ИНСТРУМЕНТА С НЕПРОФИЛИРОВАННОЙ РАБОЧЕЙ ЧАСТЬЮ

А.Ю. Рязанцев, О.Н. Кириллов

В работе предложен новый подход к проектированию рабочей части непрофилированного электрода - щетки, где учитывается жесткость обрабатываемого участка и возможность поддержания требуемой точности обработки при сложном контуре заготовки. Рассмотрено влияние формы заготовки на параметры непрофилированного инструмента для чистовой обработки заготовок

Ключевые слова: непрофилированный электрод - инструмент, параметры электрода - щетки, габариты, шаг инструмента

Введение

В статье рассмотрены вопросы создания непрофилированного электрода-инструмента для комбинированной размерной обработки. Это позволит обеспечить в едином технологическом процессе, без смены и подналадки оборудования, универсальным проволочным инструментом интенсивную обработку с получением заданного распределения остаточных напряжений в поверхностном слое и обеспечением качества изделий из токопроводящих материалов различной геометрической формы. Обработка непрофилированным электродом-щеткой достаточно хорошо изучена и использована при съеме припуска с металлических изделий, но| применение этого метода для создания требуемого уровня остаточных напряжений в поверхностном слое деталей с ограниченной жесткостью практически не рассматривалось. Поэтому изложенное в статье направление работ следует считать как перспективное для машиностроения. С учетом требований разработчиков авиационной и космической техники новых поколений обоснованный выбор метода формирования карты остаточных напряжений и проектирование инструментов для их использования отвечает современным задачам, решаемым в области машиностроения.

С усложнением формы составляющих элементов современной наукоемкой продукции машиностроения, увеличением удельной нагрузки на конструкцию под действием наследственных явлений происходит изменение формы деталей, возникают погрешности, способные нарушить качество всего изделия.

Рязанцев Александр Юрьевич - ВГТУ, аспирант, e-mail: [email protected]

Кириллов Олег Николаевич - ВГТУ, д-р техн. наук, доцент, e-mail: [email protected]

Значительное влияние на точность формы оказывают остаточные напряжения и их равномерность, а также наклеп. Для повышения качества изделий требуется проектирование инструментов, обеспечивающих получение и сохранение заданной геометрической формы, особенно крупногабаритных сложноконтурных деталей малой жесткости.

Расчет габаритов электрода-щетки

На чистовом этапе обработки геометрия заготовки приобретает профиль, близкий к заданному для детали.

Для снижения величины прижима ( Пр ) необходимо максимально приблизить наружный профиль инструмента к форме обрабатываемого участка заготовки, которая может иметь различные радиусы (R) искривления.

Обрабатываемая поверхность имеет переменный профиль. Для расчета принимают минимальные значения и Я2 (рис.1).

Диаметр втулки (Dвm) назначается с учетом посадочных диаметров шпинделя станка и, как правило, не рассчитывается.

Тогда диаметр инструмента

Du = 21п + Dвm + 2 Пр < 2^ (1)

Откуда может быть вычислена длина вылета проволоки 1п

I = Я- Пр - (2)

п 1 ± > вт V '

Ширина электрода-щетки ( В ) находится из условия, что концы проволоки всегда, как минимум, касаются обрабатываемой поверхности и очищают ее для анодного снятия припуска (рис.1, б)

В < 2^АИ^2 - АИ) (3)

Если учесть, что критерием нормального процесса работы электрода-щетки является

Пр >АН (4)

то В = 2д/Пр(2Д2 - Пр). Отсюда находят сечение пучков для обработки заготовок с минимальным радиусом изгиба (Д) и перепадом неровностей (АН).

Рис. 1. К расчету габаритных размеров инструмента (а - продольное сечение, б - поперечное сечение), Д -изгиб профиля заготовки в направлении подачи инструмента; Д - изгиб в поперечном направлении; Du - диаметр инструмента после изготовления; Dem - диаметр втулки; 1п -вылет пучков проволоки в инструменте; П -

частота вращения; Пр - прижим проволоки; АН - глубина неровности

В большинстве случаев пучки имеют круглое сечение. На периферии инструмента минимальный диаметр пучка Dnl = В.

После закрепления во втулке пучок расширяется, и его диаметр в месте крепления

D 2 = КО ,, (5)

п2 р П1> у 7

где Кр - коэффициент раскрытия пучка (Кр =1,1-1,2 в зависимости от вылета проволоки (I п ) и характеристики ее материала.

С учетом возможности крепления пучков к втулке количество пучков ( N ) по ширине электрода-щетки (В)

N <

В 2д/Пр(2 Д - Пр)

О

п2

КрОп 1

(6)

где Nп - целое число.

Если заготовка плоская, то ширина может быть любой, и ограничена только силой тока источника питания, величина которого должна быть достаточной для создания требуемой плотности тока (]) в зоне анодного растворения. По [1] ] > 18-20 А/см2.

Часть обрабатываемых деталей имеет плоские поверхности, для которых при известном Ои следует найти диаметр пучка Оп . Такой параметр определяет время активного анодного удаления припуска, которое зависит от предельного межэлектродного зазора Sk между наружной поверхностью пучка и обрабатываемым участком заготовки. Тогда участок инструмента, где происходит анодное удаление припуска, может приближенно рассчитываться по формуле:

1, =

О+* I14 ?

(7)

Sk находится из основного закона анодно-

го растворения [2]

Sk =

Хр -Аи)

Л

где X - электропроводность межэлектродной среды (Ом-1 м-1); V - напряжение на электродах, В; Аи - потери напряжения, В; ]кр - критическая минимальная плотность тока, при которой процесс анодного растворения практически прекращается, ]кр =1,8-2,0 А/см2.

С учетом (7) активный участок инструмен-

та

=

Хи-Аи)+| О + Хи-Аи)

кр

кр

Для рассматриваемого случая

В =1.

п2

уз

■ +

' кр

' кр

(9)

Расчет допустимого диаметра проволоки в пучке электрода-щетки

Для получения требуемой точности профиля и низкой шероховатости необходимо использовать проволоку минимального диаметра. Для нежестких деталей электрод-инструмент тоже целесообразно выполнять из тонкой проволоки, обеспечивающей минимальное механическое воздействие на заготовку и не нарушающей величину прижима за счет изгиба места обработки заготовки.

Для поддержания стабильности величины прижима требуется увеличение сечения проволоки.

При рассмотрении механизма чистовой обработки показано, что

F1 * Ff

кр

К0 ^ ■

2 • п

п п

ЕИ 4 0.24 п.. I

1А

_п

2

п

(10) (11)

Отсюда диаметр проволоки

=

К • 12 • и • 12

^од 1 И1 1п

Б 2 Е

(12)

Расчет шага между пучками проволоки и количества пучков в инструменте.

Наибольший шаг (Нш) имеет место, если обрабатывается впадина (рис. 1, а) с большим углублением (АИ1) и большим радиусом (R1). Величина шага (Нш) зависит от времени между касанием пучком проволоки обрабатываемого участка заготовки и выхода из этого элемента, а также времени анодного растворения припуска, определяемого величиной межэлектродного зазора (), при котором прекращается

процесс анодного растворения.

На рис. 2 показаны этапы прохождения пучком проволоки зоны обработки заготовки при радиусе (R1) изгиба участка при Ои * 2R1.

Как следует из рис.2, длина дуги (10) по наружному диаметру ( Ои ) электрода ( а - И ) включает

10 = 1у1 + 1у 2 + 1у 3

Здесь 1у1 можно принять равным 1у3, а его

величина не имеет четкой границы, т.к. определяется критической плотностью тока, рассчитываемой через величину зазора, который зависит от профиля обрабатываемой поверхности, частоты вращения инструмента.

Рис. 2. Этапы прохождения пучком проволоки (1) углубления (АИр в заготовке (2): 1у1 - участок, начиная с которого возможно анодное растворение от точки «е» пучком 1; 1 2 - углубление, при прохождении которого (Ьс) пучком 1 происходит механическая очистка поверхности заготовки 2; 1уз - участок (сё) активного анодного растворения участком ё пучка 1 заготовки 2

Поэтому увеличение дуги 1у2 учесть коэффициентом КК =1,05^1,1.

Длина дуги

можно

Ту 2 = 4АИОи + 4 АИ2

3

Тогда

4

10 = К^ 4А Ифи + 3 АИ

(13)

(14)

Просвет (дуга) между соседними пучками проволоки ( 1п ) не может быть менее ( 10 )

( Тп * Т0).

Тогда количество пучков (тп) по диаметру электрода-щетки составит

т <

О 2Т

пВ,

К и 4АИОи + 4 АИ2

(15)

Если высота неровностей незначительна (в пределах Пр), то количество пучков тп рассчитывается:

2

тЮи

mn - 2B+l

D

уз

2KPDn1+

) +(Du+m-AU)

]кр I

]кр

(16)

Расчет предельного количества проволоки в пучке электрода-щетки

Диаметр пучка проволоки щетки:

Dn2 = 2К^Пр(211 - Пр)

тЮ,

n2

= 2К,

^Пр(2П2 - Пр)

Kod ■ 11

н •12

(17)

(18)

S2 E

Особенности проектирования электрода-щетки для чистовой обработки

Для увеличения интенсивности съема припуска анодным растворением желательно иметь минимальный межэлектродный зазор. Если заготовка плоская, то диаметр инструмента должен быть большим и ограничен только возможностями размещения его на станке.

По мере износа пучков диаметр электрода-щетки уменьшается [3], поэтому целесообразно диаметр втулки выбирать наибольшим (с учетом длины рабочей части втулки и возможностей оборудования).

Диаметр пучка желательно иметь близким к расчетному, т.к. при его уменьшении относительно расчетной величины снижается скорость удаления припуска, а увеличение не дает улучшения технологических показателей, но вызывает повышенный расход энергии, металла на инструмент.

Пучки должны быть размещены вдоль оси электрода-щетки в один ряд, т.к. наличие пучков между рядами нарушает электрические параметры анодного растворения и параметры импульсов.

Заключение

Разработанная методика проектирования электрода-щетки для чистовой обработки нежестких деталей впервые позволила обосновать выбор оптимальных параметров инструмента, обеспечивающих требуемую точность профиля и качество поверхностного слоя. Это открывает возможность получать электродом-щеткой качественные детали без последующей обработки.

Приведенные особенности проектирования инструмента для чистовой обработки нежестких участков заготовок существенно расширили область эффективного применения электродов-щеток оригинальной конструкции, предложенных учеными Воронежского государственного технического университета.

Литература

1. Кириллов О.Н. Технология комбинированной обработки непрофилированным электродом. Воронеж: ВГТУ. 2010. 254 с.

2. Смоленцев Е.В. Проектирование электрических и комбинированных методов обработки. М.: Машиностроение. 2005. 511 с.

3. Кириллов, О.Н. Механизм контактной комбинированной размерной высокоскоростной обработки непрофилированным электродом [Текст] / О.Н. Кириллов // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2010. - Т. 6. - № 9. - С. 91-94.

П2 =

Воронежский государственный технический университет

METHOD OF CALCULATION OF THE TOOL FROM THE UNPROFILED

WORKER PART

A.Yu. Ryazantsev, O.N. Kirillov

In work new approach to design of working part of a unprofiled electrode - a brush where rigidity of the processed site and possibility of maintenance of the demanded processing accuracy at a difficult contour of preparation is considered is offered. Influence of a form of preparation on parameters of the unprofiled tool for fair processing of preparations is considered

Key words: electrode - the tool, electrode parameters - brushes, dimensions, a tool step