CC BY
9
УДК 621.9.06
С.А. РУСАНОВ, ДО. ДМИТРКВ, ВВ. РАЧИНСЬКИЙ
Херсонський нацюнальний техшчний ушверситет
ПРАЦЕЗДАТН1СТЬ ОБЛАДНАННЯ КАРКАСНИХ КОМПОНОВОК В УМОВАХ СИЛОВОГО НАВАНТАЖЕННЯ ПРИ ОБРОБЦ1 СКЛАДНИХ ДЕТАЛЕЙ ПОВЕРХНЕВИМ ПЛАСТИЧНИМ ДЕФОРМУВАННЯМ
В cmammi наведено розроблений метод i результати оцiнки напружено-деформованого стану верстатного та технологiчного обладнання каркасних компоновок, що побудовано is застосуванням просторових шарнiрно-стрижневих механiзмiв паралельног структури. Розглянуто техтчну i технологiчну здатнкть каркасних компоновок в умовах силового навантаження до застосування на фтшних операцiях обробки складнопрофтьних деталей i поверхонь методами поверхневого пластичного деформування.
Ключовi слова: каркасш компоновки, силове навантаження, механ1зми паралельног структури, методи поверхневого пластичного деформування
С.А. РУСАНОВ, Д.О. ДМИТР1СВ, В.В. РАЧИНСЬКИЙ
Херсонський нацюнальний техшчний ушверситет
РАБОТОСПОСОБНОСТЬ ОБОРУДОВАНИЯ КАРКАСНЫХ КОМПОНОВОК В УСЛОВИЯХ СИЛОВОГО НАГРУЖЕНИЯ ПРИ ОБРАБОТКЕ СЛОЖНЫХ ДЕТАЛЕЙ ПОВЕРХНОСТНЫМ ПЛАСТИЧЕСКИМ ДЕФОРМИРОВАНИЕМ
В статье приведены метод и результаты оценки напряженно-деформированного состояния станочного и технологического оборудования каркасных компоновок, на основе пространственных шарнирно-стержневых механизмов параллельной структуры. Рассмотрены техническая и технологическая работоспособность каркасных компоновок в условиях силовой нагрузки и предпосылки его применения на финишных операциях обработки сложнопрофильных деталей и поверхностей методами поверхностного пластического деформирования.
Ключевые слова: каркасные компоновки, силовая нагрузка, механизмы параллельной структуры, методы поверхностного пластического деформирования
S.A. RUSANOV, D O. DMYTRIEV, V.V. RACHINSKIY
Kherson National Technical University
PERFORMANCE THE EQUIPMENT FRAME LAYOUT IN TERMS OF POWER LOADING IN THE PROCESSING OF FIGURINE PARTS BY SURFACE PLASTIC DEFORMATION
The article presents the method and results of evaluation of elastic stress transfer machines and technological equipment for frame layouts based on the spatial hinge-rod mechanisms of parallel structure. Reviewed technical and technological performance offrame layouts in terms of weight training and background of its application in a finishing operation ofprocessing offigurine parts and surfaces methods of surface plastic deformation.
Keywords: frame layout, power load, mechanisms of parallel structure, methods of surface plastic deformation
Постановка проблеми
Поверхневе пластичне деформування (ППД) використовують для пвдвищення опору втоми й твердосп поверхневого шару металу, а також для формування в цьому шар1 внутршшх напруг (головним чином напруг стиску) i утворенню регламентованого рельефу м1кронер1вностей на поверхш [1, 2]. Для статичних методiв ППД (зокрема, накатщ та вигладжування) використовують ушверсальне або спещальне металооброблювальне обладнання, в тому чи^ з ЧПК. В робот розглянуто можливють використання для багатокоординатних процеав ППД просторових шаршрно-стрижневих механiзмiв з паралельною структурою (МПС) [3]. Для такого обладнання постае проблема забезпечення необидного рiвня жорсткосп (податливосп) технолопчно! системи i, до того ж, розширення функцюнальних можливостей робочого органу, наприклад зб№шення ступешв в№носп, швидкосп, робочого простору, гнучкосп для обробки ППД складно-проф№них поверхонь.
Аналiз останшх дослщжень i публiкацiй
Розрахунковi питання стосовно до ППД розглядалися достатньо широко [1, 2, 4, 9]. В
перспективi застосування верстапв з МПС основним е попередне визначення характерних зусиль в процеа обробки у зв'язку з необхвдшстю орiентування шарнiрних механiзмiв у просторi в локацiях з найвищою жорстютю паралельно! структури. В [1] наводяться орiентовнi значения вказаних зусиль, що можуть бути знайденi за залежшстю:
Р = 2а2 ат,
де ат - границя текучостi матерiалу, що змiцнюеться; а - глибина наклепу, в практицi прийнято 0,02R3 < а < 0,1R3; R3 - радiус поперечного перерiзу детали
Для уточнення силових факторiв в процеа обробки необхвдно розглядати модель «оброблювана деталь - шструмент» в цшому. Розрахункова схема для тако! моделi, що розглядаеться в [4, 8], представлена на рис. 1. На ввдмшу ввд прямо! токарно! обробки точiниям (рис. 1, а) при токарнш обробцi з використанням ППД пiдпружиненим роликом в схему вводяться додатковi пружиостi Срол системи
ролик-супорт та вiдповiднi значения зовшшшх сил Р i Рш з боку ролика з доданням маси т(рис. 1,
б). При аиалiзi динамiчноí моделi по вказанш схемi необхвдно враховувати спадковiсть ввд точiния, що буде впливати на яшсть поверхиi - Г! шорстшсть з врахуваниям отриманих розмiрiв та форми оброблено! довгом1рно1 дета л 1 в поздовжньому \ поперечному перетинах.
Рис. 1. Спрощена динамiчна модель процесу токарноТ обробки: а) - точшням, б) - з використанням ППД
Пружна лiнiя Bici цилiндричноï детал^ що навантажена поперечною Ру i поздовжньою Рх силами притискання для клаcичноï схеми закрiплення (жорстке защемлення в затискному патронi i в№не з iншого боку) згiдно з теорieю опору матерiалiв при поздовжньо -поперечному згинi в cтатицi буде визначатися за формулою [5] :
a(l - x)
Ус =
Pyl
2P„
sin ax x
---+ ■
1 - cos
2
al
l
al sin
a(l - x)
(l - cos ax)
де 0 < x <- ;
2
a =
P
EJ
E
модуль пружноcтi;
2
Ix =
(1)
nd4 64
момент шерци поперечного перерiзу
вала дiаметром d.
Формулювання мети дослвдження
Для подальшого аналiзу можливостей застосування верстапв з МПС для ППД необхвдно проаналiзувати зворотнiй зв'язок в cиcтемi «деталь - iнcтрумент - просторова структура верстату з МПС» з врахуванням обмежень, що накладае компонетика обладнання на жорcткicтнi характеристики та параметри рухливоcтi. Таким чином метою дослвдження е оцiночне формулювання силових навантажень вiд iнcтрументу з врахуванням випадкових коливань параметрiв обробки, яшсна оцiнка ввдклику проcторовоï паралельно! структури на прикладi верстату СФВПК-4 з МПС та кiлькicнi порiвняльнi розрахунки ввдклику рiзних просторових структур за моделями та алгоритмами авторсько! лшшки програмних продуктiв Tools Glide [6], Tools Response та Tools Apps [7].
Викладення основного матерiалу дослвдження Ввдхилення ввд идеально! форми заготовки дають додатковi навантаження на шструмент, що
формуе вектор навантажень P+AP (рис. 2).
Рис. 2. Спрощена динамiчна модель пружноТ системи супорт-ролик-деталь при токарит обробщ з використанням ППД
Для ощнки геометрп (по формi i розмiру) детал^ що оброблюеться пiсля точiння, необхвдно враховувати випадковi фактори при формуванш математичних моделей. При заданих коефщентах нерiвномiрностi радiально! ЗС i поворотно! ЗСП жорсткостi затискного патрона [8] розмах !х
максимальних значень становить:
ЗC
ACp = ACyl = 2Cp-р—,
' у1 ' 2-Я/
АСП = 2СП-ЗС^
2-ЗС
(2) (3)
П
В результата виникае додатковий припуск на обробку, який визначаеться нерiвномiрностями радiально! АСр i поворотно! АСп жорсткостi, нерiвномiрнiстю жорсткосп супорта АС , вiдхиленням
ввд круглостi заготовки ЗТ та !! радiальним биттям (ексцентричнiстю) Ар :
ЗУ = ЗУр + ЗУм + ЗУсуп + З + Ар ' (4)
АС„ „ РуАСП (/ - х) _ _ АС„
2
2
де З= ; ЗУм =-2—П^ ; ЗУсуп = Ру
' р С П
'У У С2 ' м С 2
Шсля пiдстановки отримаемо:
у АС2 •
ЗУ = Ру
АСР+ АСп (/ - х) | АСу
С
2
С2
' г
С2
ЗТ + А,
+ ■
2
' р П "У
Випадковi коливання Зу призведуть до розмаху сили рiзання з амплiтудою:
АР = Р - Р . = В |(г + Зу)Ур - 1Ур I,
Уо у шах у Ш1П р [у у / у
(5)
(6)
де ( - глибина рiзання; у - показник степеш для сили рiзання; В = С ■ 8Хр ■ К - постiйна частина
у емтричнш формулi для сили рiзання Ру [9].
В умовах обробки ППД випадковi коливання складуть:
АР = С Зу(И - И . )
Уо рол У \ плшах плшгп
(7)
1пл шах? ,1пл шт
h„
- вiдповlдно максимальне i мшшальне
де Cрол - жорстк1сть корпусу оправки ролика; hn пластичне вторгнення ролика в оброблювану деталь.
Для аналiзу вiдклику каркасно! системи МПС на розглянуп навантаження P+AP необхвдно виконати декомпозищю задачi на окремi етапи з врахуванням (або без врахування, в залежностi вiд ступеню наближення) властивостей деяких груп елеменпв або окремих ланок (рис. 3).
в)
а) б) г)
Рис. 3. Приклади декомпозицп загальноТ динaмiчноТ моделi на OKpeMi p03paxyHK0Bi схеми каркасноТ компоновки верстату СФВПК-4 з МПС: а) врахування тшьки лшшноТ подaтливостi стрижневоТ системи рухомих ланок МПС; б) врахування лшшноТ податливост ребер каркасу i МПС;
в) врахування тiльки поворотноТ подaтливостi ребер каркасу;
г) врахування поворотноТ податливост МПС i ребер каркасу
Аналогичный аналiз таких конструкцш е досить складним завданням, з шшого боку використання систем автоматизованого проектування загального призначення (на кшталт ANSYS, COMSOL Multiphysics та ш) також потребуе значних часових затрат на формування геометрично! моделi, анатз i завдання зв'язк1в тощо, особливо з врахуванням достатньо! гнучкостi, та, як наслщок, варiативностi компоновок каркасного обладнання. Достатньо зручно проводити моделювання роботи обладнання з МПС в рiзних умовах з використанням спецiалiзованих програмних пакетiв, таких як лшшка програмних продуктiв Tools Glide [6], Tools Response та Tools Apps [7] що розробляються на кафедрi основ конструювання (нинi транспортних систем та техшчного сервiсу) Херсонського нацюнального технiчного унiверситету.
Вказана лiнiйка призначена для генерування кинематики та аналiзу статичного та динамiчного вiдкликiв глайд-обладнання без обмежень на форму зовшшшх навантажень, що можуть бути задаш як довiльнi функцй' часу та внутршшх параметрiв системи з шдтримкою зворотнього зв'язку. Для аналiзу вщклику конструкцй' на робочi зовнiшнi навантаження в усьому дiапазонi технологiчного процесу обробки система вiдокремлюе статичнi та динашчш навантаження - проходить нас^зний обмiн даними мiж ввдповвдними модулями: кинематика (пряма або зворотня задач^ - статичний вiдклик (формування тензорiв коефiцiентiв жорсткостi) - динамiчний ввдклик [10-12]. Бiблiотека скiнченних елементiв (рис. 4) пристосована для задач такого типу, з шдтримкою можливосл з'еднання компонентiв шарнiрами рiзних типiв, бiблiотеки останнiх можуть бути поповненi додатковими об'ектами.
ROD % C0NS
PLG
Mxex + Myey + Mze z
BEAM
PLG
PLG
BEAM
Рис. 4. Скшченш елементи модулю Tools Response (а) та Bapia^m композицш з них каркасиоТ глайд-компоновки (б)
Вкажемо моделi деяких з основних елементiв. Модель деформування просторових консольних елементiв мае вигляд:
uy
Uz
в
ву
в
{CONS}
L
L
3EIy 0
0
0
L2 2EI,
2 EI,.
L3 0 L2 0 0
3EIx 2EI x
0 L EF 0 0 0
L2 0 L 0 0
2EIx EIx
0 0 0 L 0
EI
L
Q. Qy
Q.z
Mx My
M_
{CONS}
(8)
Модель деформування балочних елеменпв:
{beam! л u r\ {beam} U' '1 = CQ Q
+ Cu M
+ C M M1
{beam}
+ (0O x l){beam}+ u0{beam},
0{BEAM^ = CC PQ {beam} + CC p M {BEAM}
+ 0
{beam}
Модель жорстко! платформи:
UPLG = 0 X Г
{PLG}
+ UC.
вх = 1 [(xJ2 XJ3 )uJz1 (xJ1 XJ3 )uJz2 +(xJ1 XJ2 )uJz3 ]
(9)
ву <PLG> = - 1 [(УJ2 - yJ3 )uJz1 - (Ул - yJ3 )uJz2 + (Ул - УJ2 J ]{PLG} ,
0
0
0
0
u
x
0
0
0
0
0
0
{PLG} {PLG}
{PLG} U — U
Q _ uJx 2 uJx1
'2 {PLG} {PLG} ■>
Уп2 - Уп
{PLG} {PLG} /J{PLG} {PLG}
{PLG} _ {PLG} л {PLG^ {PLG}
ису - ипу1 -и2 ХП >
и02{РЬО} - ^[(х!2 Уп3 - ХП3 УП2 К1 -(хп Уп3 - ХП3 Уп П + + (хп Уп2 - УпХП2 К3]{PLG}
А - П
12 Х11У13 УЛХ12 Х12У13 + Х13УЛ '
де и - вектор перемщення вузла, ф - ввдносний кут повороту вузла, Ь - довжина консольного i балочного елементу, Е - модуль пружностi, О - модуль зсуву, I - статичш моменти шерцд перетинiв
елементiв, О, М - поперечнi зусилля i моменти в перетинах консольних та балочних елеменпв, С^, С им
- блоки матриц жорсткостi, rJ = [х1,у1,11] - радус-вектор вузла в системi координат рухомо! платформи.
На рис. 5 вказаш конф^рацп ввдклишв каркасно! системи як кадри ашмацп в однаковому циклi технологiчного процесу обробки. Помггний значний вплив не тiльки питань компоновки каркасно! конструкцii на картину деформованого стану конструкцiй, але й взаемного орieнтування системи «каркас
- деталь - шструмент».
а) б) в)
Рис. 5. Поршня ii>iii розрахунки в1дклику рпних просторових структур в ua ipi ашмацп обробки за моделями та алгоритмами лiнiйки програмних продук^в Tools Glide та Tools Response: аналог СФВПК-4 з МПС (а), 6х- глайд з рiзними умовами зв'язшв (б) та (в)
Для визначення локацiй та напрямк1в з заданою жорстк1стю модуль Tools Response дозволяе отримувати в автоматичному режимi форми тензорних елiпсоïдiв та елшсодав податливостей для всього циклу обробки, при цьому проводиться визначення змiнноï динамiчноï величини пружного перемiщення робочого органу стрижневоï системи в мющ навантаження з отриманням компонент тензору приведених коефiцiентiв жорсткостi (лiнiйноï та крутильной). Розрахунок тензорного елiпсоïду проводиться за
рiвнянням (Т r)r = 1 де Т - тензор податливостей, r - радiус-вектор.
Для визначення вiбрацiйних вiдкликiв в системi Tools Apps [7] проводиться iмпортування в останню компонент тензору приведених коефщенпв жорсткостi та розраховуються коливання, яш формують розмiри та форму детал^ з врахуванням випадкових факторiв за (2)-(7). Для и-ступеневого мехашзму математична модель перетворюеться до вигляду
ВД^ + h(q,dq) = Q , (11)
dt dt
dq d2q „
де q, -, —— - вектори ввдповщно узагальнених координат, швидкостеи та прискорень; I(q) -
dt dt
матриця шерци механiзму; h(q, —^) - вектор вщцентрових, корюлюових та дисипативних сил; Q -
dt
вектор узагальнених сил, яки прикладеш до ланок i шарнiрiв механiзму.
Висновки
Розробленi математичнi моделi i iнтерактивнi програмнi модулi для прикладное' оцiнки жорсткостi обладнання просторових компоновок i3 механiзмами паралельно! структури та точностi вiдтворення траекторп робочого органу в умовах силового навантаження дозволяють оцiнити можливiсть використовування такого обладнання для обробки складно -проф№них деталеИ поверхневим пластичним деформуванням. Вказана алгоритмiчна послiдовнiсть оцiнки дозволяе врахувати випадковi коливання параметрiв обробки та провести кшьшсш порiвняльнi розрахунки вщклику рiзних просторових структур за моделями та алгоритмами лшшки програмних продукпв ToolsGlide, ToolsResponse та ToolsApps без обмежень на форму зовшштх навантажень, що можуть бути заданi як дов№ш функци часу та внутршшх параметрiв системи з пвдтримкою зворотнього зв'язку. Для визначення локацiИ та напрямшв з заданою жорстк1стю Tools Response дозволяе отримувати в автоматичному режимi форми тензорних елшсощв та елшсощв податливостеИ для всього циклу обробки.
Список використаноТ лiтеpaтуpи
1. Евдокимов В.Д., Клименко Л.П., Евдокимова А.Н. Технология упрочнения машиностроительных материалов. Учебное пособие-справочник / Под редакцией д.т.н., проф. В. Д. Евдокимова. -Одесса Николаев: Изд-во НГГУ им. Петра Могилы, 2005. - 352 с.
2. Ткачук А.А. Технолопчш основи змщнювально-виглажджувального оброблення поверхонь обертання. - Луцьк: СПД Гадяк Жанна Володимирiвна друкарня «Волиньпол1граф», 2014 . - 196 с.
3. Кузнецов Ю.М. Компоновки верстапв з механiзмами паралельно! структури: Монографiя / Ю.М. Кузнецов, Д.О. Дми^ев, Г.Ю. Дшевич; тд ред. Ю.М. Кузнецова. - Херсон: ПП Вишемирський В.С., 2009. - 456 с.
4. Забезпечення якосп обробки довгомiрних деталей поверхневим пластичним деформуванням з використанням полiмервмiсних МОТЗ: Автореф. дис ... канд. техн. наук: 05.02.08 / Д. О. Дми^ев; В.о. Нац. техн. ун-т Укра!ни "Ки!вський полггехшчний шститут".- К.: Б.В., 2003. - 22 с.
5. Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В.В.: Справочник по сопротивлению материалов. - Киев: Наук. думка, 1988. - 736 с.
6. Комп'ютерна програма "ToolsGLIDE". Сввдоцтво про реестрацш авторського права на твiр №57913. / С.А. Русанов, Д.О. Дмт^ев, П.В.Кеба, Ю.М. Кузнецов. - Заявл. 03.11.2016; Опубл. 29.12.2016.
7. Комп'ютерна програма "ToolsApp". Свщоцтво про реестрацш авторського права на твiр №57913. / С.А. Русанов, Д.О. Дми^ев, М.1. Подольський, Ю.М. Кузнецов. - Заявл. 03.11.2014; Опубл. 29.12.2014.
8. Кузнецов Ю.Н. Анализ динамической системы шпиндель-патрон-деталь токарного автомата. -Вестник машиностроения, 1990, №8, с. 42-47.
9. Рыжов Э.И., Суслов А.Г., Федоров В.П. Технологическое обеспечение эксплуатационных свойств деталей машин. - М.: Машиностроение, 1979. - 176 с.
10. Русанов С.А., Дми^ев Д.О., Комплексний анал1з механiзмiв паралельно! структури засобами щльових систем автоматизованого моделювання // Тези доповщей VII мiжнародно! науково-технiчно! конференцп «Теоретичнi та практичнi проблеми в обробщ матерiалiв тиском i якосп фахово! освiти», Ки!в - Херсон, 2016, с. 152-155.
11. Дми^ев Д.О., Русанов С.А., Кеба П.В., Швень С.М. Зовшшш модулi для прогнозування та управлiння складними рухами ланок механiзмiв паралельно! структури // Комплексне забезпечення якосп технолопчних процеав та систем (КЗЯТПС - 2016): матерiали тез доповiдеИ VI м1жнародно! науково-практично! конференцi!. - Чернiгiв: ЧНТУ, 2016.- C. 44-47.
12. Русанов С.А., Рачинський В.В., Дми^ев Д.О. Просторовий анал1з шарнiрно-стрижневих механiзмiв для мехашчно! обробки поверхневим змiцненням складнопрофшьних деталей. // Матерiали II-! всеукра!нсько! конференцi! «Приладобудування i метрологiя. Сучасш проблеми, тенденцi! розвитку». Луцьк: ЛНТУ, 2016, С. 81-83.
