CC BY
11
УДК 621.9 https://doi.Org/10.35546/kntu2078-4481.2020.4.4
Ю Г. РОЗОВ
Херсонський нацюнальний техшчний ушверситет
ORCID : 0000-0002-7377-5566 ДО. ДМИТРШВ
Херсонський нацiональний технiчний унiверситет
ORCID : 0000-0001-8200-351X С.А. РУСАНОВ
Херсонський нацiональний технiчний унiверситет
ORCID: 0000-0002-1003-4867 С О. ЧУРСОВ
Херсонський нацiональний технiчний унiверситет
ORCID : 0000-0002-6746-530X
е.В. лещук
Херсонський нацюнальний техшчний ушверситет
РАЦ1ОНАЛЬН1 СХЕМИ I ЕНЕРГО-СИЛОВ1 ПОКАЗНИКИ ОБРОБКИ ТИСКОМ ЗОВШШШХ ПРОФ1ЛЬОВАНИХ ПОВЕРХОНЬ ШЛЯХОМ
ОБКАТУВАННЯ РОЛИКАМИ
На основi розгляду юнематичних схем програмно-керовано'1' обробки поверхневим пластичним деформуванням (ППД) ты обертання i вiдnовiдних до них компоновок eepcmamie каркасное компоновки i3 анализом напружено-деформованого стану системи виконано аналiз найбiльш придатних до фтШног розмiрноi обробки тиском технологiчних режимiв i умов. Показано новi технологiчнi схеми обробки ППД що передбачають прогресивн i бшьш ефективт стратеги руху iнcтрументу вiдноcно заготовки з складною кривизною оброблювально'1' поверхш що жорстко спираеться або закртлюеться в верстатному пристосувант. Дании пiдхiд дозволяе пiдвищити точнкть обробки ППД до класу розмiрноi обробки за рахунок жорсткого за^плення i реалiзувати будь який геометричний рух програмно керованого перемiщення обробного iнcтрументу в робочому проcторi верстата. Рiзноманiтнi комбтацп рiзноманiтних рухiв обробного iнcтрументу Их ци^чтсть i краттсть докладання навантаження на поверхню оброблюваного матерiалу дозволяе забезпечити зниження жорcткоcтi поверхнi як щлком прогнозованого режимного параметру i закладати його при проектуванш операцш ППД. Показано реалгзацт запропонованих ршень у видi виготовлених програмно-керованих пристосувань на оcновi прострових приводiв щартрно-стиржневих систем i рухомо'1' платформи з рухомим iнcтрументом. На оcновi векторного числення створено математичн залежноcтi шо покладено в алгоритм керування технологiчним обладнанням для запропоновано'1' обробки ППД.
Ключовi слова: поверхневе пластичне деформовування; яюсть обробки, жорстюсть стратеги руху iнcтрументи енерго-cиловi параметри.
Ю.Г. РОЗОВ
Херсонский национальный технический университет
ORCID : 0000-0002-7377-5566
до. Дмитриев
Херсонский национальный технический университет
ORCID : 0000-0001-8200-351X С.А. РУСАНОВ
Херсонский национальный технический университет
ORCID : 0000-0002-1003-4867 С.А. ЧУРСОВ
Херсонский национальный технический университет
ORCID : 0000-0002-6746-530X ЕВ. ЛЕЩУК
Херсонський нацюнальний техшчний ушверситет
РАЦИОНАЛЬНЫЕ СХЕМЫ И ЭНЕРГО-СИЛОВЫЕ ПОКАЗАТЕЛИ ОБРАБОТКИ ДАВЛЕНИЕМ ВНЕШНИХ ПРОФИЛИРОВАННЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ПУТЕМ ОБКАТКИ РОЛИКАМИ
На основе рассмотрения кинематических схем программно-управляемой обработки поверхностным пластическим деформированием (ППД) тел вращения и соответствующих им компоновок станков каркасной компоновки с анализом напряженно-деформированного состояния системы выполнен анализ наиболее подходящих к финишной размерной обработки давлением технологических режимов и условий. Показаны новые технологические схемы обработки ППД предусматривающие прогрессивные и более эффективные стратегии движения инструмента относительно заготовки со сложной кривизной обрабатываемой поверхности жестко опирается или закрепляется в станочном приспособлении. Данный подход позволяет повысить точность обработки ППД к классу размерной обработки за счет жесткого закрепления и реализовать любой геометрический движение программно-управляемого перемещения обрабатывающего инструмента в рабочем пространстве станка. Различные комбинации различных движений обрабатывающего инструмента их цикличность и кратность приложения нагрузки на поверхность обрабатываемого материала позволяет обеспечить снижение жесткости поверхности как вполне прогнозируемого режимного параметра и закладывать его при проектировании операций ППД. Показано реализацию предложенных решений в виде изготовленных программно-управляемых приспособлений на основе пространственных поводов шарнирно-стержневых систем и подвижной платформы с подвижным инструментом. На основе векторного исчисления созданы математические зависимости, которые положено в алгоритм управления технологическим оборудования для предложенной обработки ППД.
Ключевые слова: поверхностное пластическое деформирования; качество обработки, жесткость стратегии движения инструменты энерго-силовые параметры.
U.H. ROZOV
Kherson National Technical University
ORCID : 0000-0002-7377-5566 DO. DMYTRIIEV
Kherson National Technical University
ORCID : 0000-0001-8200-351X S.A. RUSANOV
Kherson National Technical University
ORCID : 0000-0002-1003-4867 SO. CHURSOV
Kherson National Technical University
ORCID : 0000-0002-6746-530X E.V. LESHCHUK
Kherson National Technical University
RATIONAL SCHEMES AND ENERGY POWER INDICATORS OF PRESSURE TREATMENT OF EXTERNAL PROFILED SURFACES BY ROLLING BY
ROLLERS
Based on the consideration of kinematic schemes of software-controlled processing by surface plastic deformation (SPD) of rotating bodies and corresponding configurations of frame layout machines with analysis of stress-strain state of the system, the analysis of technological modes and conditions most suitable for dimensional pressure treatment is performed. New technological schemes of SPD processing are provided, which provide progressive and more effective strategies of tool movement relative to the workpiece with a complex curvature of the machining surface that is rigidly supported or fixed in the machine tool. This approach allows to increase the accuracy of SPD processing to the class of dimensional processing due to rigid fixing and to implement any geometric movement of the program-controlled movement of the machining tool in the working space of the machine. Various combinations of various movements of the machining tool, their cyclicity and multiplicity of load on the surface of the workpiece allows to reduce the surface stiffness as a completely predictable mode parameter and lay it in the design of SPD operations. The realization of the offered decisions in the form of the made software-controlled adaptations on the basis of spatial drives of hinge-rod systems and the mobile platform with the mobile tool is shown. On the basis of vector calculus, mathematical dependences are created and placed in the algorithm of control of technological equipment for the proposed processing of SPD.
Key words: surface plastic deformation; quality of processing, rigidity of strategy of movement tools energy and power parameters.
Постановка проблеми
Традицшш технологи фшшно! обробки поверхневим пластичним деформуванням (ППД) поверхонь обертання передбачають використання унiверсального верстатного обладнання, наприклад, бшьштсть деталей типу стрижнiв оброблюють шляхом вигладжування або обкатуванням роликом на токарних верстатах iз закрiпленням в центрах iз застосуванням люнетiв. Однак весь процес обробки супроводжуеться не властивими для даних верстапв умовами, а саме, сшввщношення навантажувальних зусиль не вщповщае технiчним характеристикам системи пристосування-шструмент-деталь (П1Д). Змiна положения вектору сили притискання уздовж напряму подачi викликае змiни значень пружних вщтискань.
Апалп осташмх дослвджень I публжацш
Вадомо, що в робота МПС рсалповуються складш просторов! значения жорсткосп. як залежносп не тшьки ви рад1усу-вектору положения ¡нструменту, але й напряму ди вадтискних навантажень, що скв1 валентно формуванню тензорного поля жорсткостей в робочш зош обробки. При цьому д1апазон значень жорсткосп навггь в рамках единого сценарио обробки може бути досить широкий - ви екстремально низьких значень, до достатшх для проведения обробки ППД. Таким чином до генерування стратеги обробки вцщосяться завдання пошуку оптимальних в сена несучо! спроможносп траекторш та взаемних конфиурацш розташування системи Инструмент-деталь». На рис.2, вказаш два вар1анти реал1заци процесу обкатування роликом щшндрично! дета л 1 за допомогою МПС. В першому варинп траекщля реалпуються як множина напрямних шл щшндрично! поверхш, у другому - як множина тв1рних.
а) б) в) г)
Рис.2. Загальний вигляд верстату з МПС I жорстке кршлення оброблюваного Kii.iiii.ipy
Пи =
fö-ri1
хср хсп
J (хср хсп) +(Уср Усп) + (zcp zcn)
Уср ~Усп
J (хср ~хсп) +(Уср —Усп) + (zcp ~zcn)
zcp ~zcn
г) + (Уср Усп) + (zcp zcn)
(1)
lcnJ ^\.Уср .Усп) ^У^ср СП) Формулювання мети дослiдження
Метою дослщження е технологiчне забезпечення сталих napaMeipiB якосп оброблюваних деталей з профшьною поверхнею, таких як значения шорсткосп, CTyniHb змiцнення, вiдхилення форми i ш Тобто постае технiчнa задача виконання контрольовано! в сенсi забезпечення роз]шрних пapaметpiв обробки ППД.
Викладення основного матерiалу дослiдження
Для aнaлiзy вiдкликy конструкцп на pобочi зовтшт навантаження в усьому дiaпaзонi технолопчного процесу обробки система вiдокpемлюе статичш та динaмiчнi навантаження - проходить нас^зний обмiн даними мiж вщповщними модулями: кинематика (пряма або зворотна задач^ -статичний вiдклик (формування тензоpiв коефiцiентiв жоpсткостi) - динaмiчний вiдклик. Бiблiотекa ск1нченних елементiв пристосована для задач такого типу, з тдтримкою можливостi з'еднання компонентiв шаршрами piзних типiв, бiблiотеки остaннiх можуть бути поповненi додатковими об'ектами. Для pеaлiзaцil стратеги в pоботi використовувалась лшшка програмних пpодyктiв Tools Glide, Tools Response та Tools Apps. Вказана лшшка призначена для генерування кинематики та aнaлiзy статичного та динaмiчного вiдкликiв глайд-обладнання без обмежень на форму зовшшшх навантажень, що можуть бути зaдaнi як довшьт функцп часу та внyтpiшнiх пapaметpiв системи з пiдтpимкою зворотного зв'язку.
Проведено поpiвияния типових стpaтегiй обробки (pyхiв обробного iнстpyментy) i базування детaлi в нaйбiльш розповсюджених каркасних компоновках верстапв з МПС. Розвинуто область застосування веpстaтiв з МПС до процеав обробки тиском ППД i науково обгрунтовано 1х здатшсть виконувати дану обробку iз вщповщним piвнем якостi.
Рис. 3. Bapiaii'i ii обробки ППД з траeкторiями у виглядi множини твiрних цилшдричноТ поверхш (а) та вiдклик обладнання на дану стратепю (б) (Tools Response)
Вказана лшшка призначена для генерування кинематики та анал1зу статичного та динaмiчного вiдкликiв глайд-обладнання без обмежень на форму зовшшшх навантажень, що можуть бути задаш як довшьт функцп часу та внyтpiшнiх пapaметpiв системи з пiдтpимкою зворотного зв'язку.
координат точок контакту шструменту та деталь напрям ¡нструменту, вектор нормами та дотично! до оброблювально! поверхш тощо. На рис. 4 (б) показано вццелик на я в но!' конструкци на вцщовцщий вар1ант стратеги обробки.
Розрахунки елшеощв податливосп для кожно! точки траектори дозволяють провести оцшку спроможносп дано! стратеги обробки та компоновки каркасного обладнання в цшому до реал1заци обробки ППД. Додатков1 приклади стратепй обробки (рухливий цилшдр та обробка конусу) показаш на рис. 5.
., о.], (о., о., 1000000000в-1], 2000000000е-1] , 30000000004-1], 4000000000е-1],
6000000000е-1]\ 7000000000е-1], 8000000000е-1], 90000000004-1] , 1000000000]. 10. НОООООООО], [0. 1200000000]. [0. .........Ч], (О
1700000000] , [С". 1500000000]. [0. 1900000000], го.
[
с
г 3090169944
3583679497 4067366430 4 539904998 5000000000 ~ 54463903 Г' 587785252"
8336705641
, .9986295348]], 9945218954]], 9876883406]], 9731475007]], 9659258263]], 9510565163]] , 9335804264]], 9135454577]], . .8910065242]], 8660254040]], 5386705680]], 8090169943]], 77714 59613]]
6293203911]] 5877852522]] 5446390348]]
а) б) в)
Рис. 5. Приклади розрахунку стрижневоТ системи (а), Вигляд вхвдного КРК файлу (б), (в) вигляд елшсоТду жорсткосп в o.ini 11 точш робочого простору з рппою оркшацкю рухомоТ платформи
В робота дослщжено конструктивно-посилений шаршрний мехашзм [1-3], що може бути використано для обробки тиском не приводними роликами складних поверхонь (рис.6).
а)
б)
им
777Г
777Г
А,
B
в) г)
Рис. 6. Шаршрний мехашзм обробки (а), система керування i робоче мкце (б) кiнематична схема (в) i розрахункова векторна схема основних ланок (г)
Для аналiзу роботи мехашзму та генерування керуючих команд необхщно по-перше вирiшити вiдповiдну зворотню шнематичну задачу - за заданою траeкторieю ролику М знайти позицп кареток А i В як функцп часу.
При ВК=/Ь
тобто (ХВ - Хк )2 + (УВ - УК )2 = /2 i КЛ=12,
тобто (хк - хл)2 + (¥к - Гл)2 = /22 отримаемо розв'язок к1нематично1 задача
Yb =
Yk =■
1 --
Y,
1-
1-
Ч-(xк -Xb)2 +■
1-
; (2)
a; (3) li
YA = +л112 - (XK - XA )2
+ ■
1 -
а
I
+ V/2 - (Xk - XB )2
+ ■
Ye
1-
а
T
а
r<4)
Вказаний алгоритм реалiзовано в програмному середовищi Maple - для задано! траекторп ролика отримуеться положения всiх значущих вузлiв механiзму.
Результати к1нематичного розрахунку (зворотня задача) можуть бути використаш для розрахунку напружено-деформованого стану системи. Для ще! мети було використано систему ToolsResponse ск1нченно-елементного аналiзу просторових механiзмiв [4]. Основним питанням е завдання граничних умов, що вщповщають задачi контакту ролика з оброблювальною деталлю, оск1льки визначення сили вадтискання е достатньо складною задачею. Бшьш фiзичним е завдання безпосередньо вщтискання по завданому напрямку ролика в контакт з заготовкою, при цьому можливо дек1лька варiаитiв розглядання: - жорстке завдання вщтисканням - завдання вщтискання за деяким напрямком n та
вiльностi уздовж дотично! до траекторп т:
UM =
UMx (t) UMy (t)
u
(5)
M
n = U (t), P • т = 0,
(6,7)
За вказаним алгоритмом проводиться розрахунок жорсткосп за весь цикл обробки з прорахуванням зусиль в шарнiрах та сили ввдтискання. Можливе швидке порiвняння компоновок (рис. 7).
а
/1
а
/1
Y
S
S
а
а
/1
/1
в) г)
Рис. 7. Приклади швидкого порiвняння компоновок за критерiями пружност
За зусиллями, що вiдповiдають навантаженню на каретки, можливе прогнозування потужностей двигунiв, сила обробки (навантаження на ролик, що необхщна для проведення обробки з наперед заданим вадтисканням) (рис. 8).
каретка А
каретка В
Рис. 8. Зусилля Р, швидккть кареток V i потужнiстьW на двигунах упродовж циктчноТ обробки
дшьнищ синусоТди за рис. 7
Висновки
На основi розгляду шнематичних схем програмно-керовано! обробки поверхневим пластичним деформуванням (ППД) тiл обертання i вiдповiдних до них компоновок верстапв каркасно! компоновки iз аналiзом напружено-деформованого стану системи виконано аналiз найбшьш придатних до фшшно!
розмiрно! обробки тиском технолопчних режимiв i умов. Проведено порiвняння типових стратегiй обробки (рухiв обробного шструменту) i базування деталi в найбшьш розповсюджених каркасних компоновках верстапв з МПС. Розвинуто область застосування верстатiв з МПС до процеав обробки тиском ППД i науково обгрунтовано !х здатнiсть виконувати дану обробку iз вiдповiдним рiвнем якосп.
Список використаноТ лiтератури
1. Глазунов В.А., Колискор А.Ш., Крайнев А.Ф. Пространственные механизмы параллельной структуры. - М.: Наука, 1991. - 95 с.
2. Воробьев Е.И., Диментберг Ф.М. Пространственные шарнирные механизмы. - М.: Наука, 1991. -264 с.
3. Дмитрiев Д.О., Русанов С.А., Рачинський В.В. Передумови використання обладнання каркасних компоновок для обробки складних поверхонь пластичним деформуванням // Матерiали всеукрашсько! науково-техшчно! конференцп "Мехашка машин - основна складова прикладно! мехашки» Днiпро: НМетАУ, 2017. - C. 67-71
4. Дми^ев Д.О., Русанов С.А., Рачинський В.В. Нелшшш задачi та зворотнiй зв'язок при моделюванш обробки обладнанням каркасних компоновок // Комплексне забезпечення якостi технолопчних процеав та систем (КЗЯТПС - 2017): матерiали тез доповiдей VI мiжиародно! науково-практично! конференцп. - Чершпв: ЧНТУ, 2017.- с. 45-46
5. Дми^ев Д.О., Русанов С.А., Федорчук Д.Д. Методологiя синтезу технолопчного обладнання з МПС за критерiями точностi, жорсткостi i функцiональностi // <^брацп в технiцi та технолопях» XVI Мiжиародна науково-технiчна конференцiя: збiрник тез доповiдей. - Вiнниця:ВНТУ, 2017. - с.26-29
6. Розов Ю.Г., Дмитрiев Д.О., Федорчук Д.Д., Русанов С.А. Прогнозування енергосилових факторiв при поверхневш оздоблюванiй обробцi тиском неприводними роликами складних поверхонь // Тези доповщей X мiжнародноl науково-техшчно! конференцп «Теоретичш та практичнi проблеми в обробщ матерiалiв тиском i якосп фахово! освiти», Ки!в - Херсон, 2019, С. 16-18.
7. Дми^ев Д.О., Русанов С.А., Федорчук Д.Д. Прогнозування функцюнальних можливостей i закономiрностi керування просторовими системами приводiв для технолопчних задач // Тези доповщей IX мiжнародно! науково-техшчно! конференцп «Комплексне забезпечення якосп технолопчних процеав i систем», м. Чершпв, ЧНТУ, 14-18 травня 2019, С. 49-51.
References
1. Hlazunov V.A., Kolyskor A.SH., Kraynev A.F. Prostranstvennye mekhanyzmy parallel'noy struktury.
- Moscow: Nauka, 1991. - 95 p.
2. Vorob'ev E.Y., Dymentberh F.M. Prostranstvennye sharnyrnye mekhanyzmy. - Moscow: Nauka, 1991.
- 264 p.
3. Dmytriyev D.O., Rusanov S.A., Rachyns'kyy V.V. Peredumovy vykorystannya obladnannya karkasnykh komponovok dlya obrobky skladnykh poverkhon' plastychnym deformuvannyam // Materialy vseukrayins'koyi naukovo-tekhnichnoyi konferentsiyi "Mekhanika mashyn - osnovna skladova prykladnoyi mekhaniky» Dnipro: NMetAU, 2017. - pp. 67-71
4. Dmytriyev D.O., Rusanov S.A., Rachyns'kyy V.V. Neliniyni zadachi ta zvorotniy zv'yazok pry modelyuvanni obrobky obladnannyam karkasnykh komponovok // Kompleksne zabezpechennya yakosti tekhnolohichnykh protsesiv ta system (KZYATPS - 2017): materialy tez dopovidey VI mizhnarodnoyi naukovo-praktychnoyi konferentsiyi. - Chernihiv: CHNTU, 2017.- pp. 45-46
5. Dmytriyev D.O., Rusanov S.A., Fedorchuk D.D. Metodolohiya syntezu tekhnolohichnoho obladnannya z MPS za kryteriyamy tochnosti, zhorstkosti i funktsional'nosti // «Vibratsiyi v tekhnitsi ta tekhnolohiyakh» KHVI Mizhnarodna naukovo-tekhnichna konferentsiya: zbirnyk tez dopovidey. - Vinnytsya: VNTU, 2017. -pp.26-29
6. Rozov YU.H., Dmytriyev D.O., Fedorchuk D.D., Rusanov S.A. Prohnozuvannya enerhosylovykh faktoriv pry poverkhneviy ozdoblyuvaniy obrobtsi tyskom nepryvodnymy rolykamy skladnykh poverkhon' // Tezy dopovidey X mizhnarodnoyi naukovo-tekhnichnoyi konferentsiyi «Teoretychni ta praktychni problemy v obrobtsi materialiv tyskom i yakosti fakhovoyi osvity», Kyiv - Kherson, 2019, pp. 16-18.
7. Dmytriyev D.O., Rusanov S.A., Fedorchuk D.D. Prohnozuvannya funktsional'nykh mozhlyvostey i zakonomirnosti keruvannya prostorovymy systemamy pryvodiv dlya tekhnolohichnykh zadach// Tezy dopovidey IX mizhnarodnoyi naukovo-tekhnichnoyi konferentsiyi «Kompleksne zabezpechennya yakosti tekhnolohichnykh protsesiv i system», Chernihiv, CHNTU, 14-18 travnya 2019, pp. 49-51.
