CC BY
13
Оригинальная статья / Original article УДК 621.98.042
DOI: http://dx.doi.org/10.21285/1814-3520-2018-3-35-43
МОЩНОСТЬ ПРИВОДА КАК ПАРАМЕТР УПРАВЛЕНИЯ ПРОЦЕССОМ ЗАЧИСТКИ ПОВЕРХНОСТИ ЛЕПЕСТКОВЫМ КРУГОМ
© Зыонг Ван Лонг1, В.П. Кольцов2, Ле Чи Винь3, Д.А. Стародубцева4
Ханойский национальный научно-исследовательский институт механики, Вьетнам, г. Ханой, р. Кау Жаи, ул. Фам Ван Донг, 4, оф. 501. 2,3,4Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Российская Федерация, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.
РЕЗЮМЕ. К настоящему времени зачистка поверхностей лепестковым кругом занимает твердое место в процессах изготовления крупногабаритных деталей в самолетостроении. Основными режимными параметрами процесса являются частота вращения лепесткового круга, продольная подача и осадка (деформация) круга. При этом при зачистке панелей и обшивок, имеющих непостоянную кривизну обрабатываемой поверхности, контроль и регулировка фактической величины осадки лепесткого круга во время работы является достаточно проблематичной задачей. Выход был найден в использовании в качестве режимного параметра расходуемой на зачистку эффективной мощности привода. Фактически затрачиваемая на обработку мощность является комплексным параметром, который в свою очередь зависит и от частоты вращения, величины подачи и особенно от осадки круга, но, тем не менее, при постоянных значениях частоты и подачи он может быть эффективным режимным параметром. ЦЕЛЬ. Проверка возможности использования эффективной мощности как параметра управления, определяющего динамику и производительность процесса зачистки. МЕТОД. Аналитический анализ и экспериментальная проверка. РЕЗУЛЬТАТЫ. Показано, что эффективная мощность привода может быть успешно использована в качестве параметра управления процессом зачистки лепестковым кругом. Ключевые слова: абразивная зачистка, лепестковый круг, управление, осадка, мощность, параметр обработки.
Информация о статье. Дата поступления 13 февраля 2018 г.; дата принятия к печати 21 февраля 2018 г.; дата онлайн-размещения 31 марта 2018 г.
Формат цитирования. Зыонг Ван Лонг, Кольцов В.П., Ле Чи Винь, Стародубцева Д.А. Мощность привода как параметр управления процессом зачистки поверхности лепестковым кругом // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2018. Т. 22. № 3. С. 35-43. DOI: 10.21285/1814-3520-2018-3-35-43
DRIVE POWER AS A CONTROL PARAMETER OF SURFACE GRINDING BY A FLAP WHEEL
Duong Van Long, V.P. Koltsov, Le Tri Vinh, D.A. Starodubtseva
Hanoi National Research Institute of Mechanical Engineering, 4, Pham Van Dong St., office 501, Cau Giay District, Hanoi, Vietnam Irkutsk National Research Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russian Federation
1Зыонг Ван Лонг, кандидат технических наук, директор центра технологий и оборудования защиты окружающей среды, e-mail: longdv.mt@narime.gov.vn
Duong Van Long, Candidate of technical sciences, Director of the Environment Technologies and Equipment Center, e-mail: longdv.mt@narime.gov.vn
2Кольцов Владимир Петрович, доктор технических наук, профессор кафедры технологии и оборудования машиностроительных производств, e-mail: kolcov@istu.edu
Vladimir P. Koltsov, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Technology and Equipment of Machine-Building Production, e-mail: kolcov@istu.edu
3Ле Чи Винь, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии и оборудования машиностроительных производств, e-mail: vinh_istu@mail.ru
3Le Tri Vinh, Candidate of technical sciences, associate professor of the Department of Technology and Equipment
of Machine-Building Production, e-mail: vinh_istu@mail.ru
4Стародубцева Дарья Александровна, магистрант, e-mail: d.star-irk@yandex.ru
Daria A. Starodubtseva, Master's degree student, e-mail: d.star-irk@yandex.ru
©
ABSTRACT. Today, the abrasive grinding of surfaces by flap wheels is widely used in aircraft construction under the manufacturing of large-sized parts. The main operating parameters of the process are flap wheel rotation frequency, longitudinal feed and wheel upset (deformation). At the same time, when grinding panels and skins featuring a non-constant curvature of the machined surface it is rather difficult to monitor and adjust the actual value of the flap wheel upset in operation. The solution is to use the drive effective power consumed for grinding as a mode parameter. In fact, the power consumed for machining is a complex parameter that in its turn depends on the rotation frequency, the value of feed and especially on the flap wheel upset value. However, it can be an effective mode parameter if frequency and feed rates are constant. The PURPOSE of the paper is testing the possibility of using effective power as a control parameter that determines the dynamics and performance of the grinding process. The METHODS used in the study involve analytical analysis and experimental verification. RESULTS. It is shown that the drive effective power can be successfully used as a control parameter of the process of grinding by flap wheels. Keywords: abrasive grinding, flap wheel, control, upse, power, processing parameter
Information about the article. Received February 13, 2018; accepted for publication February 21, 2018; available online March 31, 2018.
For citations. Duong Van Long, Koltsov V.P., Le Tri Vinh, Starodubtseva D.A. Drive power as a control parameter of surface grinding by a flap wheel. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2018, vol. 22, no. 3, pp. 35-43. (In Russian). DOI: 10.21285/1814-3520-2018-3-35-43
Введение
В технологических процессах изготовления длинномерных панелей и обшивок после дробеударного формообразования, для обеспечения требуемых параметров шероховатости, поверхность детали зачищается абразивным лепестковым кругом (ЛК). Зачастую панели и обшивки имеют значительные габариты (до 35x2,5 м) при малой толщине (до нескольких мм) и сложно-переменную кривизну [1, 2]. При зачистке таких деталей необходимо обеспечить равномерность съема и постоянство значений параметров шероховатости по всей обрабатываемой поверхности.
Используемые для зачистки панелей и обшивок лепестковые круги типа КК751, изготовленные по ТУ 3985-002-81924505995, представляют собой набор выгнутых абразивной стороной наружу лепестков, радиально закрепленных на оправке. При вращении такого круга абразивные лепестки распрямляются, и увеличивается диаметр круга на 10-15 мм. Величина осадки (деформации) лепесткового круга при обработке таких деталей лежит в пределах
2-8 мм [3]. Кроме того, при обработке значительных по площади поверхностей деталей имеет место существенный износ абразива лепесткового круга (до 0,08 мм/мин)6 [4].
Двойная кривизна обрабатываемой поверхности, непостоянство геометрических размеров круга и необходимость одновременного управления несколькими параметрами обработки [5] в значительной степени усложняют задачу обеспечения равномерного съема и шероховатости по всей поверхности детали. Выходом из такой ситуации может быть использование для управления процессом резания эффективной мощности, которая необходима для реализации процесса зачистки [6-10]. Поскольку кинематическая цепь от электродвигателя к лепестковому кругу минимальна [11], потери на трение в кинематических парах привода можно считать незначительными.
В подобном случае, например, при шлифовании полимерно-абразивными щетками, авторы работы [8] также выделяют
5ТУ 3985-002-81924505-99. Круги шлифовальные лепестковые. Технические условия / TU 3985-002-81924505-99. Grinding flap wheels. Technical specifications.
6Подашев Д.Б. Отимизация финишной обработки деталей из высокопрочных алюминиевых сплавов эластичным образивым инструментом: дис. ... канд. техн. наук.; Иркутск, 2014 / Podashev D.B. Optimization of finishing processing of high-strength aluminum alloy parts by elastic abrasive tools. Candidate's dissertation in technical sciences; 05.02.07; 05.02.08. Irkutsk, 2014.
©
мощность как параметр, определяющий динамические особенности процесса, силы резания, величину давления инструмента на обрабатываемую поверхность и харак-
тер стружкообразования, что в конечном итоге определяет интенсивность съема и качество поверхностного слоя детали.
Зависимость мощности электропроивода от величины осадки лепесткового круга
при зачистке
Мощность, необходимая для осуществления вращения лепесткового круга и снятия материала в процессе зачистки, численно равна мощности, потребляемой приводом лепесткового круга. Эта суммарная мощность включает в себя мощность холостого хода и мощность, затрачиваемую на процесс резания. Мощность холостого хода необходима для вращения круга без касания с поверхностью обрабатываемой детали, а мощность зачистки - для преодоления сил резания.
В рассматриваемом случае, как и в работе [8], для выполнения операции зачистки поверхности требуемая мощность привода зависит от тангенциальной силы резания, диаметра и частоты вращения лепесткового круга, что определяется следующим выражением:
К =
Pz • п • Dk • п 102-60-1000'
(1)
где Мэф - эффективная мощность привода, кВт; Рг - тангенциальная сила резания, кгс;
Ок - диаметр лепесткового круга, мм; п - частота вращения лепесткового круга, об./мин,
или
N3fy = М • to = Pz • R • to,
(2)
где М - момент резания, кгс м; ш - угловая скорость, 1/с; Рг - окружная сила (сила резания), кгс; И - радиус лепесткового круга, мм.
В то же время
мЭф = ь и,
где I - ток, А; U - напряжение, В.
¡•U = Pz^R^ to.
(3)
(4)
Контролируя силу тока при постоянном напряжении, отслеживают мощность, затрачиваемую на обработку, и, соответственно, производительность зачистки.
Экспериментальные исследования
Экспериментальные исследования зависимости изменения мощности электропривода от величины осадки при различных значениях частоты вращения лепесткового круга были выполнены на установке УДФ-4 с зачистной головкой револьверного типа ЗГР-1 (рис. 1) [11]. В качестве главного привода лепесткового круга револьверной головки ЗГР-1 установлен электродвигатель Siemens модели 1PH7103, позволяющий контролировать потребляемую силу тока, выходное напряжение, момент вращения, эффективную мощность и другие параметры процесса.
Для установки УДФ-4 мощность является одним из регистрируемых параметров системы ЧПУ и выдается на экран пульта управления (рис. 2). В зависимости от нагрузки на электродвигатель во время работы установки пользователь в режиме реального времени может отслеживать переменные процесса. Для удобства значение каждого параметра выведено в отдельном окне рабочей программы. Так, например, для переменной «эффективная мощность», кВт, с помощью вызова соответствующей функции обращения к системе ЧПУ (/acx/drv_dc_tea/32[u1]) выходят
Рис. 1. Установка УДФ-4 с зачистной головкой револьверного типа ЗГР-1: 1 - установка УДФ-4; 2 - сменный рабочий орган установки, зачистная головка ЗГР-1; 3 - лепестковые круги; 4 - двигатель главного движения; 5 - пульт управления Fig. 1. UDF-4 installation with the grinding head of turret type ZGR-1, 1 - UDF-4 installation; 2 - removable effector, grinding head ZGR-1; 3 - flap wheels; 4 - main engine; 5 - control panel
Рис. 2. Интерфейс окна обработки Fig. 2. Processing window interface
два истинных значения в реальном времени Realtime - 0,997262 и среднее между 10 последовательными значениями Average -0,9256854.
Эксперименты выполнены для лепесткового круга КК751 диаметром 350 мм шириной 100, 200 и 300 мм при различных значениях частоты вращения (600, 800, 1000 и 1200 об./мин). В качестве опытного образца использована плита из алюминиевого справа В95 размером 500*700*10 мм.
Для примера в табл. 1 приведены результаты измерения значений эффективной мощности при осадке 1, 2, 3 и 4 мм для лепесткового круга шириной 100 мм.
Графики зависимости эффективной мощности от величины осадки лепесткового круга для разных частот вращения лепесткового круга представлены на рис. 3-5.
На основании полученных значений эффективной мощности построены линейные зависимости (табл. 2).
Таблица 1
Эффективная мощность электропривода для лепесткового круга шириной 100 мм
Table 1
Effective power of the electric drive of the 100 mm-width flap wheel
Частота вращения ЛК, об./мин / Flap wheel rotation frequency, rpm Эффективная мощность электропривода, кВт / Electric drive effective power, kW
Холостой ход / Idling Осадка, мм / Upset, mm
1 2 3 4
600 0,1225461 0,27875485 0,3140163 0,36810645 0,4107155
800 0,1916721 0,4722685 0,67349195 0,8388931 1,00429425
1000 0,3167431 0,543315 0,87141685 1,03224575 1,20140985
1200 0,39889765 0,83447785 1,11508955 1,37222905 1,60284105
Рис. 3. Графики зависимости эффективной мощности от величины осадки лепесткового круга шириной 100 мм при различных значениях частоты вращения, об./мин Fig. 3. Graphs of effective power dependence on the upset value (mm) of the 100 mm-width flap wheel
for the different values of rotation frequency, rpm
Рис. 4. Графики зависимости эффективной мощности от величины осадки лепесткового круга шириной 200 мм при различных значениях частоты вращения, об./мин Fig. 4. Graphs of effective power dependence on the upset value (mm) of the 200 mm-width flap wheel for the
different values of rotation frequency, rpm
Рис. 5. Графики зависимости эффективной мощности от величины осадки лепесткового круга шириной 300 мм при различных значениях частоты вращения, об./мин Fig. 5. Graphs of effective power dependence on the upset value (mm) of the 300 mm-width flap wheel
for the different values of rotation frequency, rpm
©
Таблица 2
Зависимость эффективной мощности от величины осадки лепесткового круга при различных значениях частоты вращения
Table 2
Effective power dependence on the value of the flap wheel upset _at different values of the rotation frequency_
Лепестковый круг Частота Зависимость эффективной Достоверность
диаметром 350 мм / Flap wheel of 350 mm diameter вращения, об./мин / Rotation frequency, rpm мощности, кВт, от осадки, мм / Effective power (kW) dependence on upset (mm) аппроксимации / Approximation certainty
600 y = 0,0353x + 0,2243 0,9254
100 800 y = 0,1833x + 0,1021 0,9973
1000 y = 0,2133x + 0,1658 0,9830
.__ 1200 y = 0,2752x + 0,2584 0,9944
1 1 600 y = 0,1383x + 0,0064 0,9733
E со - 200 800 y = 0,4621x - 0,3624 0,9930
1 * 1000 y = 0,6668x - 0,2804 0,9963
t * 1200 y = 0,7354x - 0,3566 0,9979
600 y = 0,2848x - 0,0401 0,9824
300 800 y = 0,5276x - 0,2795 0,9960
1000 y = 0,748x - 0,5415 0,9809
1200 y = 0,9629x - 0,5452 0,9977
Из анализа полученных линейных зависимостей (см. табл. 2) следует, что, несмотря на изменение частоты вращения и ширины лепесткового круга, эффективная мощность электропривода прямо пропор-
циональна величине осадки лепесткового круга. В результате преобразования зависимостей, представленных в табл. 2, получены уравнения для определения величины осадки лепесткового круга (табл. 3).
Уравнения для определения величины осадки лепесткового круга в зависимости от эффективной мощности
Equations for determining the value of the flap wheel upset
Таблица 3
Table 3
as a function of the effective power
Лепестковый круг Частота вращения, Зависимость величины осадки лепесткового
диаметром 350 мм / Flap wheel of 350 mm diameter об./мин / Rotation frequency, rpm круга от эффективной мощности* / Flap wheel upset value dependence on the effective power*
600 Д = 28,3286-N - 6,3541
100 800 Д = 5,4555 N - 0,5570
1000 Д = 4,6882 N - 0,7773
1200 Д = 3,6337 N - 0,9390
| 1 600 Д = 7,2307 N - 0,0463
os ~ 200 800 Д = 2,1640 N + 0,7842
x -E IL ^ 1000 Д = 1,4997 N + 0,4205
I" 5 1200 Д = 1,3598 N + 0,4849
600 Д = 3,5112N + 0,1408
300 800 Д = 1,8954 N + 0,5298
1000 Д = 1,3369 N + 0,7239
1200 Д = 1,0385 N + 0,5662
*Д - осадка, мм / upset, mm; N - эффективная мощность, кВт / effective power, kW
На основании полученных уравнений (см. табл. 3) можно вычислить значение величины осадки лепесткового круга, не прибегая к достаточно трудоемким и неточным измерениям (величина натяга - радиальная подача). Это упрощает задачу
корректировки величины осадки лепесткового круга во время зачистки поверхности панелей и обшивок планера летательного аппарата без необходимости измерения износа абразивного инструмента.
Выводы
Проведенные эксперименты доказали, что при постоянных значениях ширины лепесткового круга и частоты вращения мощность электропривода прямо пропор-
циональна величине осадки. Эффективная мощность привода может использоваться в качестве параметра управления процессом зачистки лепестковым кругом.
Библиографический список
1. Пашков А.Е. Технологические связи в процессе изготовления длинномерных листовых деталей. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2005. 138 с.
2. Пашков А.Е. О создании комплексной технологии формообразования крупногабаритных панелей // Высокоэффективные технологии проектирования, конструкторско-технологической подготовки и изготовления самолетов: материалы Всерос. с междунар. участием науч.-практ. семинара (Иркутск, 9-11 ноября 2011 г.). Иркутск: Изд-во ИрГТУ. С. 103-110.
3. Димов Ю.В. Перспективы использования лепестковых кругов при изготовлении деталей самолета // Повышение эффективности технологических процессов в машиностроении: сб. науч. тр. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2000. С. 3-10.
4. Димов Ю.В., Подашев Д.Б. Силы резания при обработке эластичыми образивными кругами // Вестник ИрГТУ. 2015. № 7 (102). С. 47-54.
5. Стародубцева Д.А. Особенности использования абразивных лепестковых кругов для зачистки поверхностей двойной кривизны // Авиамашиностроение и транспорт Сибири: сб. ст. IX Всерос. науч.-практ. конф. (Иркутск, 12-15 апреля 2017 г.). Иркутск: Изд-во ИРНИТУ, 2017. С. 254-259.
6. Кольцов В.П., Стародубцева Д.А., Козырева М.В. Анализ зависимостей съема и шероховатости поверхности детали при обработке лепестковыми
кругами по результатам факторного эксперимента // Вестник ИрГТУ. 2015. № 1 (96). С. 32-41.
7. Бондаренко М.А., Чапышев А.П. О разработке установки с численным программным управлением для зачистки криволинейных поверхностей // Вестник ИрГТУ. 2011. № 10 (57). С. 24-29.
8. Устинович Д.Ф., Прибыльский В.И. Зависимость мощностии от режимов шлифования полимерно-абразивными дисковыми щеками // Механика машин, механизмов и материалов. 2012. № 1 (18). С. 75-79.
9. Алейников Д.П., Лукьянов А.В. Моделирование сил резания и определение вибродиагностических признаков дефектов концевых фрез // Системы. Методы. Технологии. 2017. № 1 (33). С. 39-47. https://doi.org/10.18324/2077-5415-2017-1-39-47
10. Лукьянов А.В., Алейников Д.П., Портной А.Ю. Система защиты обрабатывающих центров от опасных динамических нагрузок на основе анализа параметров вибрации и силы // Вестник ИрГТУ. 2017. Т. 21. № 4. С. 30-38. https://doi.Org/10.21285/1814-3520-2017-4-30-38
11. Стародубцева Д.А. Револьверная головка для зачистки панелей и обшивок лепестковыми кругами после дробеударного формообразования. // Современные технологии. Системный анализ. Моделирование. 2015. № 4 (48). С. 34-37.
References
1. Pashkov A.E. Tekhnologicheskie svyazi v protsesse izgotovleniya dlinnomernykh listovykh detalei [Technological Relationships under Production of Long Sheet Parts]. Irkutsk: Irkutskii gosudarstvennyi tekhnicheskii universitet Publ., 2005, 138 p. (In Russian).
2. Pashkov A.E. O sozdanii kompleksnoi tekhnologii formoobrazovaniya krupnogabaritnykh panelei [On Creation of a Complex Large Panel Forming Technology]. Materialy Vserossiiskogo s
mezhdunarodnym uchastiem nauchno-prakticheskogo seminara "Vysokoeffektivnye tekhnologii proektirovaniya, konstruktorsko-tekhnologicheskoi podgotovki i izgotovleniya samoletov" [Proceedings of All-Russian Scientifc and Practical Workshop with International Participation "Highly Efficient Technologies of Designing, Design-Engineering Preparation and Manufacturing of Airplanes"]. Irkutsk: Irkutskii gosudarstvennyi tekhnicheskii universitet Publ., pp. 103-110. (In Russian).
3. Dimov Yu.V. Perspektivy ispol'zovaniya lepestkovykh krugov pri izgotovlenii detalei samoleta [Application Prospects of Flap Wheels in Aircraft Parts Manufacturing]. Sbornik nauchnykh trudov " Povyshenie effektivnosti tekhnologicheskikh protsessov v mashinostroenii" [Collection of scientific papers "Improving Efficiency of Technological Processes in Mechanical Engineering"]. Irkutsk: Irkutskii gosudarstvennyi tekhnicheskii universitet Publ., 2000, pp. 3-10. (In Russian).
4. Dimov Yu.V., Podashev D.B. Cutting Forces in Machining by Elastic Abrasive Wheels. Vestnik IrGTU [Proceedings of Irkutsk State Technical University]. 2015, no. 7 (102), pp. 47-54. (In Russian).
5. Starodubtseva D.A. Osobennosti ispol'zovaniya abrazivnykh lepestkovykh krugov dlya zachistki poverkhnostei dvoinoi krivizny [Application Features of Abrasive Flap Wheels for Double Curvature Surface Conditioning]. Sbornik statei IX Vserossiiskoi nauchno-prakticheskoi konferentsii "Aviamashinostroenie i transport Sibiri" [Collection of articles of IX All-Russian Scientific and Practical Conference "Aircraft Engineering and Transport of Siberia"]. Irkutsk: Irkutskii natsional'nyi issledovatel'skii tekhnicheskii universitet Publ., 2017, pp. 254-259. (In Russian).
6. Kol'tsov V.P., Starodubtseva D.A., Kozyreva M.V. [Analysis of Cuttings and Part Surface Roughness Dependences under Flap Wheel Machining according to Factorial Experiment Results]. Vestnik IrGTU [Proceedings of Irkutsk State Technical University]. 2015,
Критерии авторства
Зынг Ван Лонг, Кольцов В.П., Ле Чи Винь, Стародубцева Д.А. заявляют о равном участии в получении и оформлении научных результатов и в равной мере несут ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
no. 1 (96), pp. 32-41. (In Russian).
7. Bondarenko M.A., Chapyshev A.P. On the Development of a Plant with Numerical Program Control for Curvilinear Surfaces Grinding. Vestnik IrGTU [Proceedings of Irkutsk State Technical University]. 2011, no. 10 (57), pp. 24-29. (In Russian).
8. Ustinovich D.F., Pribyl'skii V.I. Effect of Processing Conditions on Power of Grinding by Polymeric-Abrasive Disc Brushes. Mekhanika mashin, mekhanizmov i materialov [Mechanics of Machines, Mechanisms and Materials]. 2012, no. 1 (18), pp. 75-79. (In Russian).
9. Aleinikov D.P., Luk'yanov A.V. Cutting Forces Modeling and Vibration Diagnostics of Signs of End Mills Defects. Sistemy. Metody. Tekhnologii [Systems. Methods. Tehnologies]. 2017, no. 1 (33), pp. 39-47. (In Russian). https://doi.org/10.18324/2077-5415-2017-1-39-47
10. Luk'yanov A.V., Aleinikov D.P., Portnoi A.Yu. Vibration and Force Parameter Analysis-Based System of Machining Center Protection from Dangerous Dynamic Loads. Vestnik IrGTU [Proceedings of Irkutsk State Technical University]. 2017, vol. 21, no. 4, pp. 30-38. (In Russian). https://doi.org/10.21285/1814-3520-2017-4-30-38
11. Starodubtseva D.A. A Turret for Grinding of Panels and Covers by Flap Wheel after Shot Peen Forming. Sovremennye tekhnologii. Sistemnyi analiz. Modelirovanie [Modern technologies. System analysis. Modeling]. 2015, no. 4 (48), pp. 34-37. (In Russian).
Authorship criteria
Duong Van Long, Koltsov V.P., Le Tri Vinh, Starodubtseva D.A. declare equal participation in obtaining and formalization of scientific results and bear equal responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
