CC BY
9
УДК 621.01
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-8-203-208
ОПРЕДЕЛЕНИЕ НЕОБХОДИМОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ПРОМЕЖУТОЧНОЙ ОПОРЫ ПРИ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКЕ ДЕТАЛЕЙ МАШИН
Д.С. Кеняйкин, С.А. Ефанов, С.И. Борискин
В качестве метода анализа используется метод конечных элементов, а в качестве среды моделирования ANSYS. В результате исследования была разработана методика, при которой значительно сокращается время на принятие решения использовать или нет люнет при обработке деталей машин типа «Вал».
Ключевые слова: станок, заготовка, жесткость, механическая обработка,
люнет.
В условиях современного машиностроения укрупненные соотношения не всегда являются допустимыми. Поэтому возникла необходимость в решении данной задачи с использованием методов статистики и современных CAD, CAE программ.
Для повышения точности обработки заготовки и снижения вспомогательного времени, а как следствие и себестоимости изготовления детали, необходимо точно знать, когда необходимо повысить жесткость обрабатываемой детали за счет применения люнета при соотношении 10<L/D<12 (где D - диаметр обрабатываемой детали, мм; L - длина детали, мм).
В статье реализовано всестороннее решение, в каких случаях и при каких обстоятельствах используют люнет, учитывались - диаметр, длина, сила резания, и модуль упругости деталей машин типа «Вал».
Согласно научной литературы [1-2] на токарных станках во время обработки деталей машин типа «Вал» при соотношении габаритных размеров заготовки 10<L/D<12 обработка всегда должна выполняться в центрах или в патроне с поджимным задним центром и использованием промежуточной опоры.
В статье [3] выявлены технологические факторы, оказывающие влияние на возникновение перемещений заготовки в процессе обработки на станке с ЧПУ. Процесс обработки на токарном станке смоделирован с использованием программного продукта ANSYS.
В работе [4] рассмотрены вопросы изменения точности получения размеров деталей в процессе механической обработки в зависимости от нагрузки и габаритных размеров деталей.
Для решения поставленной задачи была построена 3D конечно-элементная модель процесса резания, которая реализована с помощью программного комплекса ANSYS [5, 6].
Весь процесс моделирования в программном комплексе ANSYS можно разбить на три основных этапа [7,8]. Это построение модели, задание нагрузок и получение решения и обзор результатов.
На первом этапе создается 3D-модель заготовки, которая представляет из себя цилиндр постоянного поперечного сечения.
Материал модели создан на основе линейной модели Гука с использованием справочных данных. Были заданы модуль Юнга, коэффициент Пуассона и плотность материала.
На следующем этапе производили разбивку построенной модели на элементы с присвоением свойств материалов.
Далее были приложены ограничения на перемещения одного торца во всех направлениях, эмитирующие патрон, и на второй торец накладывались ограничения на перемещения в двух направлениях. Силы резания Pz, Py и Px прикладывались к середине заготовки. Так как при данном приложении нагрузок возникают наибольшие перемещения в заготовке
Известия ТулГУ. Технические науки. 2021. Вып. 8 Полученная модель с приложенными силами и ограничениями представлена на
рис. 1.
Рис. 1. Модель с приложенными силами и ограничениями
Затем в процессоре /SOLU был выбран переходной тип анализа и задана величина временного шага решения.
Учитывая, что при решении поставленной задачи будут возникать большие деформации в конечно-элементной сетке, была включена поддержка данных эфектов, а также выбрана полная схема решения методом Ньютона-Рафсона.
В результате расчетов были получены перемещения в интересующих нас узлах.
В процессе исследования воспользовались методикой многофакторного планирования эксперимента [9]. Данная методика заключается в определении перемещений, возникающих в наиболее опасном (по середине заготовки) сечении при черновой и чистовой обработках детали резанием на токарной операции.
Теоретическими исследованиями было установлено, что определяющими факторами являются значения модуля Юнга, диаметр заготовки, длина заготовки и составляющая силы резания Pz.
Модуль Юнга, Е, изменялся в пределах от 1,8 МПа до 2,2 МПа, диаметр заготовки, D, от 20мм до 100мм, длина заготовки, L, от 200мм до 1000мм, а составляющая силы резания Pz при черновой обработке от 300Н до 6100Н и при чистовой обработке от 40Н до 850Н.
За параметр оптимизации принимали перемещения, возникшие во время обработки заготовки точением на токарном станке 16К20Ф3 в результате действия сил резания которые обозначали Y.
В качестве управляемых символов принимали: Xi - модуль упругости материала, МПа; X2 - диаметр заготовки, мм; Хз - длина заготовки, мм и Х4 - сила резания, Н. Полная матрица плана планирования экспериментов представлена в таблице.
Полный план матрицы планирования
№ точки плана Значения исследуемых кодированных факторов Возможные комбинации исследуемых факторов в кодированном виде
Х0 Х1 Х2 Хз Х4 Х1Х2 Х1Х3 Х1Х4 Х2Х3 Х2Х4 Х3Х4 Х1Х2Х3Х4
1 + - - - - + + + + + + +
2 + + - - - - - - + + + -
3 + - + - - - + + - - + -
4 + + + - - + - - - - + +
5 + - - + - + - + - + - -
6 + + - + - - + - - + - +
7 + - + + - - - + + - - +
8 + + + + - + + - + - - -
9 + - - - + + + - + - - -
10 + + - - + - - + + - - +
11 + - + - + - + - - + - +
12 + + + - + + - + - + - -
13 + - - + + + - - - - + +
14 + + - + + - + + - - + -
15 + - + + + - - - + + + -
16 + + + + + + + + + + + +
В результате обработки данных эксперимента была получена математическая модель связи модуля упругости, длины и диаметра заготовки с технологическими режимами механической обработки. Для чернового точения
^(4,02-0,35ЬгЮ) . р^1,02 У ~ 20.03 Т-.1.4 7^1.55 . (1)
• е1А • в15
Для чистового точения
У
ь(4
,15-0,39 ЬпО )
• Рх1
,21,18
•>1,32
(2)
• е0,8 • В1
Согласно математическим моделям были построены графики поверхностного отклика величины перемещения обрабатываемой детали, представленные на рис. 2. и рис. 3. Графики построены в среде MathCad.
а б
Рис. 2. Поверхность отклика величины максимального перемещения заготовки при черновом точении: а — Е=2МПа, Ь=10Бмм от Б и Рг; б — Е=2МПа, Ь=12Бмм
от Б и Рг
Рис. 3. Поверхность отклика величины максимального перемещения заготовки при чистовом точении: а) Е=2МПа, Ь=10Бмм от Б и Рг; б) Е=2МПа, Ь=12Бмм
от Б и Рг
205
Для определения необходимости увеличения жесткости заготовки при механической обработке на токарном станке в виде добавления промежуточной опоры, были построены графики зависимости длины заготовки от силы резания при заданных диаметрах. Данные графики представлены на рис. 4.
6300
X 5300
N О. 4300
к т 3300
I
в 2300
о. 1300
гс
S 300
и
Черновое точение
Чистовое точение
\
■ V
Л
ч
=F=P-»-
1040
I 340
N-
О- 640
II
I 440 гс
И 240
% 40
\
V
U 110 160 210 260 310 360
100 1Б0 200 2Б0 300
Длина заготовки при диаметре 11 мм, L, мм
Длина заготовки гри диаметре 11 мм, L, мм
6300
Е 5300
4300
| 3300 X
я 2300
D
а. 1300 гс
5 зоо
Л
1 f V
300 400 500 600 700
Длина заготовки гри диаметре 21 мм, L, мм
6300 5300
i 3300
I
я 2300 0
О. 1300
ГС
5 зоо
\
\
ч
i i i 1 1 1 1 - —
510 710 910 1110
Длина заготовки гри диаметре 31 мм, L, мм
6300
X 5300
N- 4300
0.
ГС 3300
5
X 2300
ГС
Si 1300
CL
ГС 3UÜ
ч
S
U
•ч
"N
•
1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1 1
0 610 710 ЕЮ 910 1010 1110 1210 Длина заготовки гри диаметре 51 мм, I., мм
Рис. 4. Перемещения заготовки
По результатам работы можно сделать следующие выводы: при черновой обработке деталей малого диаметра с использованием больших сил резания необходимо использовать люнет, при малых силах резания использование люнета в качестве приспособления, увеличивающего жесткость, не требуется;
при черновой обработке деталей среднего и большого диаметра при соотношении размеров детали, удовлетворяющих равенству 10<Ь/0<12 использование люнета не требуется, достаточно использовать задний центр. Не использование люнета в тех случаях, когда деталь достаточно жесткая, позволит снизить вспомогательное время, а как следствие и себестоимость изделия;
при чистовой обработке по 10 квалитету точности деталей удовлетворяющих условию 10<Ь/0<12 использование люнета, помимо заднего центра, требуется только в случае обработки деталей малых диаметров при больших силах резания.
Список литературы
1. Черепахин А.А. Технология обработки материалов. Учебн. для студ. учрежд. сред. проф. образования. 5 изд., стер. М.: Издательский центр «Академия»,2012. 272 с.
2. Парфеньева И.Е., Климов А.Г., Матвеев А.П. Технология обработки материалов: Лабораторный практикум; под ред. В.И. Колчкова Федеральное агентство по образованию, Моск. гос. ун-т инж. экологии, машиностроительный ф-т, каф. «Технология машиностроения и материаловедение». М.: МГУИЭ, 2008. 200 с.
3. Щенятский А.В., Ерёмина Ю.А., Ефремов С.М. Особенности моделирования процесса токарной обработки маложесткого вала // Вестник ИжГТУ им. М.Т. Калашникова. 2012. № 1. С. 10-14.
4. Борискин С.И., Ефанов С.А., Фоминов А.Г. Анализ жесткости детали в процессе механической обработки // Машиностроение: наука, техника, образование. Сборник научных трудов X Всероссийской юбилейной научно-практической конференции. 2014. С. 20-27.
5. Чигарев А.В. ANSYS для инженеров: справочное пособие // А.В. Чигарев, А.С. Кравчук, А.Ф. Смалюк. М.: Машиностроение -1, 2004. 512 с.
6. Каплун А.Б. ANSYS в руках инженера: практическое руководство // А.Б. Каплун, Е М. Морозов, М.А. Олферьева. М.: Едиториал УРСС, 2003. 272 с.
7. Ефанов С.А. Обеспечение параметрической надежности ремонтно-технологического оборудования восстановлением шпиндельных узлов полимерными композиционными материалами: дис. ... канд. техн. Наук: 05.20.03 / Ефанов Сергей Александрович. Саранск., 2015. 131 с.
8. Ефанов С.А., Котин А.В., Конаков А.В. Восстановление ремонтно-технологического оборудования полимерными композиционными материалами // Труды ГОСНИТИ. 2014. Т. 117. 46 с.
9. Адлер Ю.П., Маркова Е.В., Грановский Ю.В. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий. Издательство «Наука», 1976. 276 с.
Кеняйкин Дмитрий Сергеевич, магистр, efanovsa1@,mail. ru, Россия, Республика Мордовия, Рузаевка, Рузаевский институт машиностроения ««МГУ им. Н.П. Огарёва»,
Ефанов Сергей Александрович, канд. техн. наук, efanovsa1@,mail. ru, Россия, Республика Мордовия, Рузаевка, Рузаевский институт машиностроения « МГУ им. Н. П. Огарёва»,
Борискин Сергей Иванович, старший преподаватель, boriskinsi@,rambler.ru, Россия, Республика Мордовия, Рузаевка, Рузаевский институт машиностроения « МГУ им. Н. П. Огарёва»
DETERMINATION OF THE NECESSITY OF USING INTERMEDIATE SUPPORT DURING MACHINE PARTS TURNING
D.S. Keniaykin, S.A. Efanov, S.I. Boriskin
The finite element method is used as the analysis method, and the ANSYS modeling environment. As a result of a research the technique at which time for decision-making to use or not to use a lunette when processing a detail "Shaft" is considerably reduced was developed.
Key words: a machine tool, the workpiece, the stiffness, mechanical treatment, lunette.
Kenyaykin Dmitry Sergeevich, master, Russia, Ruzayevka, Ruzayevka Institute of Engineering, National Research Mordovia State University of N.P. Ogaryov,
Efanov Sergey Alexandrovich, candidate of technical sciences, efanovsal@ mail.ru, Russia, Ruzayevka, Ruzayevka Institute of Engineering, National Research Mordovia State University of N.P. Ogaryov,
Sergey Ivanovich Boriskin, senior teacher, boriskinsi@,rambler. ru, Russia, Ruzayevka, Ruzayevka Institute of Engineering, National Research Mordovia State University of N.P. Ogaryov
УДК 621.9: 621.89
DOI: 10.24412/2071-6168-2021-8-208-215
СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СТУПЕНЧАТОГО ГИДРОСТАТИЧЕСКОГО ПОДПЯТНИКА С КОМПЕНСАТОРОМ
ПЕРЕМЕЩЕНИЯ
В.А. Коднянко, О.А. Григорьева, С.А. Белякова, Л.В. Гоголь, Л.В. Строк, А.В. Суровцев
В работе предложено усовершенствованное техническое решение ступенчатого гидростатического подпятника с активной компенсацией перемещения посредством использования внешнего опорного кольца на эластичном подвесе. Представлены результаты математического моделирования и теоретического исследования стационарных режимов работы конструкции. Показана возможность улучшения её статических характеристик за счёт уменьшения податливости, что позволяет устранить главный недостаток ступенчатых подшипников - высокую податливость. Показано, что с уменьшением податливости уменьшается и расход смазки, что свидетельствует о повышении экономичности подпятника с компенсатором перемещения.
Ключевые слова: ступенчатый гидростатический подпятник, нагрузочные характеристики, податливость, расход смазки, экономичность.
Введение. Преимущество ступенчатых гидростатических подшипников состоит в том, что в сравнении с аналогичными дроссельными подшипниками они конструктивно проще и имеют более высокую несущую способность [1, 2, 3]. Однако им свойственна повышенная податливость [4].
Для уменьшения податливости в подшипниках скольжения используют активную компенсацию расхода смазки, где в качестве входных компенсаторов расхода в аэростатических подшипниках применяют мембранные регуляторы типа сопло-заслонка [5-8] либо эластичные шайбы Лауба [9-11]. Применение мембранных или эластичных регуляторов позволяет снизить статическую податливость до нуля и даже отрицательных значений (в последнем случае приращения нагрузки и зазора имеют одинаковые знаки).
Подшипники с мембранными или эластичными регуляторами имеют по меньшей мере три недостатка. Первый состоит в том, что они слишком энергоёмки из-за необходимости значительного повышения расхода смазки с помощью входных регуляторов для снижения податливости. Такие подшипники имеют недостаточно стабильную характеристику несущей способности, когда низкая податливость обеспечивается лишь в узком диапазоне нагрузок [9, 10]. Третий недостаток вытекает из первого -большой коэффициент усиления регуляторов оказывает повышенное негативное влияние на динамику подшипника, когда удается с трудом обеспечить низкую податливость [11].
