CC BY
31
УДК 621.941
МОДЕЛИРОВАНИЕ СИЛОВЫХ ВЗАИМОДЕЙСТВИЙ ПРИ ФОРМООБРАЗОВАНИИ ПОВЕРХНОСТЕЙ КАНАВОК КОЛЕЦ КОЛЛЕКТОРА СЛАБОТОЧНЫХ СКОЛЬЗЯЩИХ КОНТАКТОВ
А. А. Вожжов, С.В. Бороздин
Проведено сравнение результатов расчета сил резания при фасонном точении канавок контактных колец с учетом факторов формирующих величину силы резания в аналитическом виде и результатов симуляции методом конечных элементов.
Ключевые слова: фасонное точение, сила резания, алгоритм, процесс, метод, сравнение.
Объектом исследования данной работы является финишная токарная обработка канавок коллектора щеточно-коллекторного узла слаботочных скользящих контактов, предназначенного для обеспечения в герметичном отсеке прибора надёжной коммутации электроцепей между соосно вращающимися узлами прибора, причём угол поворота узлов прибора друг относительно друга неограничен.
Данная деталь имеет очень жесткие требования по надежности и безотказности работы, т.к. она применяется в различных приборах систем автоматики, используемых в авиационной, космической, судовой технике.
На рис. 1 показана схема осевого сечения коллектора. Коллектор состоит из контактных колец 1, которые опрессованы и залиты компаундом (изолятором) 3, предотвращающим электрический контакт между кольцами 1. Под каждое кольцо 1, в месте пайки 5, подпаян медный токо-провод 4. Основанием конструкции служит центральный валик 2.
Рис. 1. Конструкция контактных колец коллекторов типа 1 - контактное кольцо; 2 - центральный валик; 3 - компаунд (электроизоляция); 4 - контактные провода; 5 - пайка провода под кольцо
Наиболее рациональным методом формообразования канавок является процесс фасонного точения.
Целью данной работы является сравнение результатов расчета сил резания при фасонном точении канавок контактных колец, с учетом факторов формирующих величину сил резания в аналитическом виде и результатов симуляции методом конечных элементов.
Теоретическое определение сил резания при точении канавок является сложной задачей. Сложность этой задачи состоит в том, что, при резании величина силы формируется в ходе самого процесса резания и зависит от большого количества факторов и параметров резания [1].
При обычном резании величина вектора скорости резания определяется окружной скоростью инструмента или заготовки V. Наложение подачи в радиальном направлении, при фасонном точении, приводит к постоянному изменению значения скорости с уменьшением диаметра заготовки, смещению вектора действительной скорости резания, при достаточно высокой скорости врезания. При врезании инструмента постоянно изменяются главный угол в плане, площади взаимодействия по передней и задней поверхности инструмента [2].
Экспериментальные методы определения силы резания чрезвычайно затруднены при решении поставленной задачи, т.к. производство испытательных образцов полностью соответствующих объекту исследования в данных условиях не представляется возможным, а использование эмпирических зависимостей при условиях резания, отличных от тех, в которых проводился эксперимент, приводит к значительным ошибкам.
Для более глубокого изучения данного процесса, математического моделирования процессов обработки, разработки и использования методик диагностики состояния режущего инструмента, остро стоит задача теоретического определения составляющих сил резания.
Для определения составляющих силы резания при обработке кольцевых фасонных канавок контактных колец коллектора (рис. 2), воспользуемся зависимостями, предложенными в [1, 3].
Рассмотрим процесс точения, условно разобьем его на короткие, равные отрезки времени Л = t1 - 10 = 12 - t1, при этом полагаем, что в течение рассматриваемого отрезка времени все параметры зоны стружкообра-зования неизменны. Переход к следующему промежутку времени происходит скачкообразно.
Для каждого промежутка времени количество / - элементарных площадок стружки будут различны из-за влияния изменяющейся геометрии резца и других параметров зоны стружкообразования. Число ¡, контактирующих с передней и задней поверхностями, в различные моменты времени найдем, зная длину оснований / стружки. Суммируя произведение
числа / и контактных давлений на соответствующую поверхность режущего клина, рассчитаем значения составляющих сил резания в данный момент времени [4].
В момент времени 1*0 + Л1 параметры зоны резания получат те или иные приращения в соответствии с расчетными выражениями. Рассчитывая соответствующие величины через малые отрезки времени (Л), например через одну тысячную периода колебания при движении вершины резца вперед и аналогичным образом при движении назад, можно оценить динамические характеристики рассматриваемых проекций сил резания, в зависимости от изменения параметров колебаний, параметров резания (скорость резания, подача), углов заточки инструмента.
Для упрощения аналитических расчетов, воспользуемся схемой стружкообразования с единственной плоскостью сдвига [1, 3].
7
Рис. 2. Технологические составляющие силы резания при точении кольцевой канавки контактного кольца коллектора
Для данного процесса резания на основе предложенных в литературе алгоритмов составлен алгоритм расчета составляющих сил резания (рис. 3) удовлетворяющий заданным условиям и параметрам.
Для сравнения результатов расчетов по представленной методике проведена симуляция процесса резания методом конечных элементов.
Определение касательных напряжений в условной плоскости сдвига и удельной силы
Определение величины коэффициента трения р Определение величины относительного сдвига г
Определение длины контакта стружки с передней поверхностью инструмента С.
Расчет удельных сил но передней и задней Определение технологических составляющих
Рис. 3. Блок-схема алгоритма определения технологических составляющих силы резания для процесса нарезания кольцевых канавок
контактных колец коллекторов
Для моделирования и анализа процесса стружкообразования при обработке деталей точением, были установлены следующие условия и вводные данные:
для процесса резания используется деформация модели по прямой траектории;
в процессе расчета учитываются только заготовка (параллелепипед шириной 0,25 мм и длиной 1 мм) и режущий инструмент (рис. 4);
заготовка моделируется из пластичного материала Л70;
резец представляется в качестве абсолютно жесткого тела, что существенно облегчает задачу при незначительных потерях в точности решения;
моделирование производилось поэтапно за 12 проходов с глубиной резания за проход 0,01 мм.
Рис. 4. 3-В модель резца
Фрагмент результатов компьютерного моделирования представлен на рис. 5, моделирование проводилось для случая: «=2500 мин-1; подача 0,01 мм/с; у=5°; а=3°; р=0,008 мм.
Рис. 5. Распределение нормальных напряжений в зоне резания, графики сил резания Рг и Ру на 10-м проходе
Значения составляющих силы резания, полученных при симуляции процесса и при расчете представлены в таблице.
На полученной гистограмме рис. 6 видно, что значения составляющих сил резания, полученные при резании и симуляции близки.
191
Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 8. Ч. 1 Силы резания, полученные при симуляции и при расчете
№ прохода Сила Рг , Н Сила Ру , Н
Расчет Симуляция Расчет Симуляция
1 0,354 0,3 0,276 0,23
2 0,783 0,85 0,567 0,45
3 1,212 1,4 0,87 0,85
4 1,6 1,5 1,15 1,16
5 2,5 2,6 2,19 2,14
6 3,5 3,4 3,12 3,1
7 4,21 3,93 3,75 3,4
8 4,78 4,5 4,2 3,9
9 5,27 4,9 4,54 4,4
10 5,69 5,65 4,79 4,6
11 6,06 6,0 4,985 4,9
12 6,39 6,3 5,1 5
7 6 5 4 3 2 1 0
Рис. 6. Гистограмма значений Рг на 10-м проходе
Это свидетельствует о том, что эти значения могут соответствовать силам резания, возникающим при реальной обработке.
Список литературы
1. Внуков Ю.Н., Саржинская А.Г. Анализ особенностей различных подходов при аналитическом расчете силы резания // Резание и инструмент в технологических системах: междунар. науч.-техн. сб. Харьков: НТУ «ХШ», 2008. Вып. 74. С. 31-56.
2. Вожжов А. А. Анализ особенностей расчета сил резания при точении с пилообразными колебаниями резца в радиальном направлении // Вюник СевНТУ: зб. наук. пр. Вип. 139/2013. Серiя: Машиноприладобуду-вання та транспорт. Севастополь, 2013. С. 45-52.
3. Полетика М.Ф. Контактные нагрузки на режущих поверхностях инструмента. М.: Машиностроение, 1969. 152 с.
4. Розенберг Ю.А. Алгоритм расчета составляющих силы резания при токарной обработке // СТИН. 2003. №5. С. 18-21.
Вожжов Андрей Анатольевич, ст. преподаватель, [email protected], Россия, Севастополь, Севастопольский государственный университет,
Бороздин Станислав Владимирович, главный технолог, [email protected], Россия, Симферополь, АО завод Фиолент
MODELING OF POWER INTERACTION WITH SURFACE SHAPING RING GROOVE RESERVOIR LOW-CURRENT SLIDING CONTACTS
A.A. Vozhzhov, S. V. Borozdin
A comparison of the results of calculation of cutting forces when turning grooves structural shapes of slip rings, taking into account the factors shaping the value of cutting force in analytic form and the results of simulation by finite element method.
Key words: mold turning, cutting force, algorithm, process, method, comparison.
Vozhzhov Andrey Anatolievich, senior lecturer, [email protected], Russia, Sevastopol, Sevastopol State University,
Borozdin Stanislav Vladimirovich, chief technologist, glavtech@phiolent. com, Russia, Simferopol, JSC «Zavod Fiolent»
