CC BY
8
8. Патент на полезную модель РФ. №107425. Устройство для снижения динамических нагрузок электропривода черновой клети прокатного стана. Мещеряков В.Н., Мигунов Д.В. Опубл. 10.081.2011. Бюл. №22.
Мещеряков Виктор Николаевич, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедрой, [email protected], Россия, Липецк, Липецкого государственного университета,
Мигунов Дмитрий Викторович, канд. техн. наук, инженер, Россия, Липецк, Липецкого государственного университета
MATHEMATICAL MODELING OF DYNAMIC PROCESSES IN THE READING STAND OF A ROLLING MILL WITH A SYNCHRONOUS ELECTRIC DRIVE WHEN THE SLAB ENTERS THE ROLL GAP
V.N. Meshcheryakov, D.V. Migunov
The relevance of the study, the study of a large number of densities in the roughing stand of the hot rolling mill, their identification at the moment the slab enters the inter-roll gap. The detection of the appearance of the phenomena of the electromechanical system of the rolling stand, based on the regulation of the excitation voltage of the synchronous electric motor before the slab enters the inter-roll gap, has been studied. A computer model of a three-mass resiliently coupled electromechanical system with a synchronous motor is presented. Graphs of the change in the motor torque without excitation voltage regulation and with excitation voltage regulation were obtained, which showed the effectiveness of using this method of controlling a synchronous motor to reduce dynamic loads in an electromechanical system.
Key words: rolling mill, synchronous motor, excitation oscillation, mathematical model, load saturation.
Meshcheryakov Viktor Nikolaevich, doctor of technical sciences, professor, head of department, [email protected], Russia, Lipetsk, Lipetsk State University,
Migunov Dmitry Viktorovich, candidate of technical sciences, engineer, Russia, Lipetsk, Lipetsk State
University
УДК 621.9.08
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-50-58
РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ПРОЦЕССА СНЯТИЯ ПРИПУСКА ДИСКОВОЙ ИГЛОФРЕЗОЙ С УЧЕТОМ УГЛА ЗОНЫ КОНТАКТА ИГЛОФРЕЗЫ И ЗАГОТОВКИ
М.С. Чепчуров, Б.С. Четвериков, В.Е. Минасова, Д.В. Челядинов
В работе разработаны и представлены схемы снятия припуска иглофрезой, а также схемы для определения геометрических параметров площади контакта иглофрезы с заготовкой. На основе установленных зависимостей был разработан алгоритм снятия припуска дисковой иглофрезой, который за счет учета влияния угла зоны контакта иглофрезы и заготовки позволит управлять припуском, и, следовательно, значительно повысить эффективность технологического процесса финишной обработки деталей.
Ключевые слова: механическая обработка, иглофреза, припуск, микрорезцы, площадь контакта.
Введение. В промышленности и строительстве самое широкое распространение получила иг-лофрезерная обработка поверхностей изделий. Она используется для снятия окалин, зачистки сварочных швов, исправления мелких дефектов поверхности. При иглофрезерной обработке используется специальный проволочный инструмент: конической формы - для торцевой обработки и цилиндрической формы для обработки периферией круга [1, 2].
В настоящее время разработаны методики назначения режимов иглофрезерной обработки, но так как чаще всего используется ручной инструмент с закреплённой в нём иглофрезой, эти рекомендации носят формальный характер, а режимы (частота вращения и сила прижима) подбираются работником. Наиболее важное значение имеет назначение режимов иглофрезерования при использовании специального или универсального оборудования, в этом случае от режимов зависят точность и качество получаемой поверхности [3, 4].
Процессы финишной обработки поверхностей как плоских, так и цилиндрических, иглофреза-ми, в настоящее время используются редко, так как не позволяют назначить режимы, с которыми можно выполнить гарантированный съём припуска с обрабатываемой поверхности, но при этом обеспечить не только качество (шероховатость) получаемой поверхности, но и обеспечит требуемый съём припуска. Особенно это относится к программному оборудованию, в том числе и робото-технологическим системам.
Таким образом разработка модели процесса снятия припуска при иглофрезовании, выполненной в виде алгоритма процесса снятия припуска дисковой иглофрезой с учетом угла зоны контакта игло-фрезы и заготовки, является актуальной задачей для машиностроительной отрасли, а её решение позволит значительно повысить эффективность технологического процесса финишной обработки деталей.
Оборудование, образцы, инструмент. Дисковая иглофреза представляет собой инструмент, предназначенный для механического съема припуска поверхности заготовки. Геометрическая форма дисковой фрезы - это тело вращения, рабочая часть которого образуется торцами единичных упругих микрорезцов (игл), изготовленных из высокопрочного материала.
Микрорезцы имеют определенную плотность набивки. На рис. 1 представлен один из вариантов дисковой иглофрезы, где микрорезцы 1, изготовленные из высокоуглеродистой стали, удерживаются с помощью двух шайб 2, которые соединены втулкой 3, развальцованной по краям.
Рис. 1. Дисковая иглофреза
В некоторых источниках [5] утверждается, что торцы микрорезцов зашлифованы, для придания определенного угла резания, но рис. 2 опровергает эти утверждения, так как на фото четко видны неровности на поверхности торца единичного микрорезца, они скорее говорят не о шлифовании, а об износе проволочного элемента, который, скорее всего изготовлен из высокоуглеродистой стали [6].
Рис. 2. Режущая часть микрорезцов дисковой иглофрезы
В настоящее время не существует стандарта или регламента на иглофрезы, по этой причине они изготавливаются по техническим условиям.
Например, согласно ТУ 3918-003-673231836-2011 изготавливаются иглофрезы цилиндрические, к которым можно отнести дисковые фрезы, где сказано, что рабочим инструментом фрезы служит жесткая щетка из проволочного ворса, то есть рабочим элементом тонкий упругий стержень, а о состоянии его торца ничего не сказано. По аналогии с абразивным инструментом, можно сделать вывод, что у иглофрезерного инструмента на уровне единичного элемента не существует геометрии режущего клина, и съем припуска аналогичен съему припуска абразивным инструментом.
51
В качестве назначения иглофрез производители указывают: срезание (удаление) дефектного слоя, удаление окалины, оксидных паек, заусенцев, наплавов материала. Но ничего не сказано об обеспечении размерных характеристик получаемого изделия, то есть иглофреза предназначается для обеспечения качества поверхностного слоя получаемого изделия.
Описание процесса иглофрезерования. Рассмотрим процесс снятия припуска иглофрезой более подробно. На рис. 3 изображена схема снятия припуска единичным режущим инструментом, таким, как и при точении.
элемент иглофрезы
Для обеспечения снятия припуска необходимо чтобы заготовка вращалась со скоростью У3, при этом, если единичный элемент не перемещается со скоростью У„ф. Процесс снятия припуска дисковой иглофрезой похож на процесс снятия припуска резцом при точении поверхности, но проволочный элемент имеет сечение, определяемое его диаметром ё. При этом его длина значительно превышает диаметр, что вызывает значительный прогиб микрорезца, определяемый углом аг, что вызывает его перемещение в положение а, в котором он будет находиться постоянно, снимая припуск за счет трения своей боковой поверхностью о заготовку, что быстро вызовет его износ. Но если единичному элементу придать вращение относительно некого центра, то в момент соприкосновения заготовкой, при угле аг в положение б начинается съем припуска, продолжающийся до положения в, в котором единичный элемент выпрямляется и сбрасывает с себя посторонний материал (металл, грязь, СОЖ). В результате имеем скорость резания Ур, значительно превышающую скорость, получаемую только при вращении заготовки.
Зная геометрические характеристики единичного элемента можно найти единичную действующую силу Р^:
РА = 0,073ё3 • Е • ^к • (2/1 - О • (Би - к) + ё , (1)
где ё - диаметр проволоки, мм; 1г - длина единого элемента, мм; к - коэффициент натяга, к<1; Би - диаметр иглофрезы, мм; Е - модуль упругости единого элемента, Мпа.
Несмотря на то, что наиболее очевидным является уточнение найденного значения Рг по количеству ворсинок (или единых элементов) в пятне контакта, авторы [7] предлагают следующую формулу для определения силы Рг:
0,073ё3 • к • Е• -/ к • (21 - к) •-/ к • (Б - к) + ё (2) Р =-1 ип к)--кУ ' кФ,
13 • 1+к (2/ - к2) V (1 - к)2
где к - ширина режущей части фрезы, мм; ку - коэффициент, учитывающий упругость зажима режущих элементов, ку <1; кф - коэффициент формы, кф<1.
Анализ различных работ [Ошибка! Источник ссылки не найден.-4] показал что, применяя формулу 1, не учитывается ряд таких факторов как:
- количество, или плотность элементов по ширине фрезы;
- количество, или плотность элементов по длине фрезы;
- форма элемента длине, например, производители, чтобы уменьшить упругость элемента, по длине выполняют его в виде змейки, тем самым увеличивая его стойкость.
Главным в формуле 2 является то, что она в общем выражает теорию процесса снятия припуска иглофрезой.
Рабочая длина каждого элемента иглофрезы изменяется в зависимости от расстояния ООг, поэтому можно рассчитать площадь контакта иглофрезы с поверхностью заготовки, согласно схеме, изображенной на рис. 4.
»3
Рис. 4. Схема для определения площади контакта иглофрезы
Площадь контакта иглофрезы (5) определяется площадью участка, имеющего длину (Ж) и ширину (И) и может быть рассчитана по формуле (3):
5=ЖИ, (3)
Исходя из расстояния 001 и радиусного изгиба единичного режущего элемента длиной I расчетную схему для определения высоты контакта в профиле можно представить [8], как на рис. 6.
Рис. 5. Схема для расчета высоты контакта в профиле
Рассчитываем длину Ж площади контакта и рабочую длину единичного элемента - 11:
I, = 001 - Я3 (4)
где Яз - радиус заготовки, мм.
Значение Я3 не показывает формы изгиба единичного режущего элемента, и не является значением для расчета Ж, по этой причине составим систему уравнений (5), позволяющую найти точку пересечения Я3 и I:
\К1 - у2 - х2 = 0 ,
¡Я2 - у2 - (001 - х)2 = 0'
(5)
таким образом решение системы уравнений (5), в котором неизвестными являются х и у, позволят найти
у.
При этом Ж можно рассчитать по формуле (6):
Ш = 2 у .
Раскроем скобки во втором уравнении системы (7), заменив: 0012 = 4
¡Я2 - у2 - х2 = 0 |Яф - 4у2 + 24х + х2 = 0 Выполнив элементарные преобразования и подстановку получаем:
- 2х2 - х2 + Я -14 - Я = 0 53
(6)
(7)
Представим, что координаты точки пересечения окружностей, определяющих значение Ж, изменяются от некоторого значения, определяемого диаметром заготовки и диаметром фрезы, для чего составим новую схему, представленную на рис. 6.
поверхность заготобки
Согласно этой схемы, в качестве первоначального условия примем, что поверхность заготовки не криволинейна, а прямая, но существует некая точка О г, от которой отсчитывается расстояние до центра вращения фрезы.
Радиус фрезы Яф в точке контакта фрезы и заготовки, лежащей на оси х имеет минимальное значение, т.е. I - рабочую длину, снова равным Яф он становится в точке С11, при этом он начинает уменьшаться с Яф до I в точке С. Если имеем плоскую поверхность заготовки, то легко можно вычислить координаты х и у точек выхода и входа фрезы, таким образом имеем:
х = ОО1 - Я3 (9)
^ = 4(Я')2 -(ОО -Я3)2 (10)
А теперь составим аналогичную рис. 7 схему, но для криволинейной поверхности заготовки с неким радиусом Яз, согласно рис. 7. Если, согласно рис. 6 проекция радиуса Я= Яф на ось х всегда будет равна 1, то по схеме на рис. 7, эта величина меняется по мере изменения угла а фрезы и угла в заготовки, а в этом случае остается только один - вычислительный метод вычисления координат контакта Я^з и Яф, то есть сравнение результатов статистических вычислений координат точки контакта на выходе фрезы, заготовки и единичного режущего элемента фрезы, то есть следует задаться точностью вычислений.
поверхность
заготобки фреза
Рис. 7. Расчетная схема для криволинейной поверхности заготовки с радиусом Яз
Точность при иглофрезерной обработки (8) зависит от: 1) колебаний припуска на поверхность заготовки (8з):
8з Язтах - Язтгп> (11)
Язтах, Язтт - максимальное и минимальное значение радиуса заготовки, мм;
54
2) колебаний свободной длины единичного режущего инструмента, которое влияет на радиус фрезы (дф):
дф= Кф max' - Кф min (12)
Кфтах, Кфтт - максимальное и минимальное значение радиуса фрезы, мм;
3) точности установки заготовки и режущего инструмента, то есть отклонению длины ООг, что определяется точностью оборудования, и этим параметром можно пренебречь.
Опишем порядок вычисления длины площади контакта - W.
Исходные данные для расчета W: К3 - радиус заготовки, или радиус фрезы Кф, мм, дкф максимальное отклонение на радиус фрезы, мм. Это отклонение определяется отклонением длин проволок (или единичных элементов) иглофрезы и может быть измерено фактически, как это показано на рис 8, или взять из данных производителя инструмента, что затруднительно, так как производитель скрывает этот параметр.
К
£>ф
Рис. 8. Геометрические параметры фрезы диаметром 50 мм
Измерение значения ¡фтах=11 мм, hf,mi„=10 мм, определяют диаметр D=50 ±2 мм, то есть согласно измерениям: Яф= 25±1 мм, таким образом имеем Кфтах = 26 мм, Кфт„= 24 мм. Минимальный и максимальный радиус заготовки определяется допуском на отклонение диаметра, допуском на отклонение формы, размером дефектов на поверхности заготовки, согласно рекомендациям из [9] радиус заготовки составляет R3mi„ = Rcp-0,5 мм, R3max= Rcp+0,5 мм. Заданная диаметром заготовка D3=200 мм, таким образом минимальный радиус заготовки R3mi„=99,5 мм, максимальный радиус заготовки R3max= 100,5 мм.
Перед началом расчетов устанавливаем шаг измерений угла иглофрезы да и шаг изменения угла заготовки 8ß, определяем максимальное количество шагов из условия допустимого изменения рабочей длины единичного режущего элемента /дои, чаще всего определяемого производителем или по расчетам из [10]. Все же стоит воспользоваться рекомендациями по назначению рабочей длины из [9], где рекомендательный коэффициент для дисковой (цилиндрической фрезы) составляет &mm^0,85, таким образом для заданной / имеем: /m„= 9 0,85=7,65 мм, при этом угол amax:
amax = arceos /min = arceos15 + 7 65 = 19,308° (13)
max R 24
лф min ^
Таким образом:
У max = Rф min ' 5Ш «max * 24 • Sin19,308° * 7,93ММ (14)
Затем вычислим максимальный угол ßmax для заготовки:
У 7 93
max )----sin( '
Назначим шаг перемещения:
ßmax = arcsin( -R^) = arcsm(-9-—) = 4,5° (15)
3 min
a, =«max, (16)
где / - количество шагов для расчета угла а. Назначим /=100, тогда а^0,2°.
Аналогично назначим . для угла в, тогда р^0,05°, . шаг изменения р.
Расчет начинаем с минимального значения угла, или /=1. Вычисляем угол а при первом шаге, затем определяем координату У., для шага / шага, по формуле (17):
Т,а= Яф ■ яп(а, • /), (17)
где / - текущий номер шага угла а.
Далее определяем координату У.р:
Уф = Яз • яп(Д • (18)
где 1 - текущий шаг для в.
Просчет координаты Уф выполняем до тех пор, пока соблюдается условие (19):
| \У1а - У1р\>дкф , (19)
[X - х\ >8^ '
Как только достигаем условия - сохраняем в переменной и значение шага, на котором было соблюдено условие 7, затем изменяем (увеличиваем) значение t на 1, и повторяем цикл поиска значений до координат для заготовки по условию 7.
При этом поиск для I начинаем не со значения 1=0, а со значения /=//, сокращая таким образом время расчета значений. Изложенное выше абстрактное описание представлено на рис. 9 в виде блок-схемы самого алгоритма.
контакта иглофрезы и заготовки
Заключение. Представленный в работе алгоритм позволит учесть влияние угла зоны контакта иглофрезы и заготовки, и определить значения максимальных углов контакта иглофрезы и заготовки. Реализация разработанного алгоритма даёт возможность управлять припуском, и, следовательно, значительно повысить эффективность технологического процесса финишной обработки деталей.
56
Статья выполнена в рамках реализации федеральной программы поддержки университетов «Приоритет 2030» с использованием оборудования на базе Центра высоких технологий БГТУ им. В. Г. Шухова.
Список литературы
1. Абугов А.Л. Обработка деталей иглофрезерованием и поверхностным пластическим деформированием перед нанесением антикоррозионных покрытий / А.Л. Абугов, И.Л. Баршай // Прогрессивные методы и средства защиты металлов и изделий от коррозии. 1988. № 3. С. 162-164.
2. Абугов А.Л. Экспериментальное исследование динамики микрорезания при иглофрезерова-нии / А.Л. Абугов, И.Л. Баршай, Е.Э. Фельдштейн // Известия вузов. Машиностроение. 1987. №8. С. 140142.
3. Моисеев Е.Ф. Влияние формы передней поверхности микрорезца иглофрезы на составляющие силы резания / Е.Ф. Моисеев, А.С. Ямников, О.А. Ямников // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып. 12. Ч. 1. С. 136-144.
4. Yuan Xi. Brush Grinding Aluminum Alloy Mechanism Of Single Steel Wire Based On Finite Element Approach / Xi. Yuan, Ch. Wang, Q. Sun, Li. Zhao // Precision Advances in Mechanical Engineering. 2021. V. 13. P. 168-178.
5. Лаврентьев А.М. Анализ способов обработки наружного диаметра длинномерных тонкостенных труб // Современные наукоемкие технологии. 2018. № 12-1. С. 89-94.
6. Соловьев А.И. Отделочно-зачистная обработка в условиях автоматизированного производства [Текст] / А. И. Соловьев, Ш. И. Джафарова, Л. В. Савельева // Технология машиностроения. 2019. № 8. С. 13-18.
7. Салуквадзе В.С. Иглофрезерная обработка поверхности металла / В.С. Салуквадзе, В.М. Коптев // Экспресс-информация. Серия xM-9. 1986. № 2. С. 8-10.
8. Чепчуров М.С. Оценка состояния оборудования технологической системы на основе расчетов напряженно-деформированного состояния / М.С. Чепчуров, В.Я. Дуганов // Ремонт. Восстановление. Модернизация. 2016. № 11. С. 20-23.
9. Вороненко В.П. Параметры резания при иглофрезеровании / В.П. Вороненко, М.И. Серых // Известия МГТУ «МАМИ». 2009. № 2(8). С.192-195.
10. Numerical and Experimental Research on the Brushing Aluminium Alloy Mechanism Using an Abrasive Filament Brush / Xi. Yuan, Ch. Wang, Q. Sun Li. Zhao // Materials. 2021. V. 14 (21). P. 157164.
11. Chetverikov B.S. Automation of component selection of ball-bearing support of drilling bit / B. S. Chetverikov, M. S. Chepchurov, I. A. Teterina // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2017. Vol. 90, No. 1-4. P. 1059-1065.
Чепчуров Михаил Сергеевич, д-р техн. наук, профессор, [email protected], Россия, Белгород, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова,
Четвериков Борис Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, await_rescue@mail. ru, Россия, Белгород, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова,
Минасова Виктория Евгеньевна, ведущий инженер, vika314tm@yandex. ru, Россия, Белгород, Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова,
Челядинов Дмитрий Вадимович, канд. техн. наук, преподаватель, chelyadinov_dv@mail. ru, Россия, Белгород, Белгородский юридический институт МВД России имени И. Д. Путилина
NORMATIVE CONTROL OF GRADUATE QUALIFICATION WORKS WITH REQUIREMENTS OF
STANDARDS OF ELECTRONIC MODELS
M.S. Chepchurov, B.S. Chetverikov, V.E. Minasova, D.V. Chelyadinov
The paper developed and presented schemes for removing the allowance with a needle cutter, as well as schemes for determining the geometric parameters of the contact area of the needle cutter with the workpiece. Based on the established dependencies, an algorithm was developed for removing the allowance with a disk needle cutter, which, by taking into account the influence of the angle of the contact zone between the needle cutter and the workpiece, will allow controlling the allowance, and, consequently, significantly increase the efficiency of the technological process offinishing parts.
Key words: machining, needle cutter, allowance, micro cutters, contact area.
Chepchurov Mikhail Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, avtpost@mail. ru, Russia, Belgorod Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov,
57
Chetverikov Boris Sergeevich, candidate of technical sciences, docent, [email protected], Russia, Belgorod Belgorod State Technological University named after V. G. Shukhov,
Minasova Victoria Evgenievna, engineer, [email protected], Russia, Belgorod Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov,
Chelyadinov Dmitry Vadimovich, candidate of technical sciences, lecturer, chelyadinov_dv@mail. ru, Russia, Belgorod, Belgorod Law Institute of the Ministry of Internal Affairs of Russia named after I.D. Putilina
УДК 621.791.4
DOI: 10.24412/2071-6168-2023-3-58-63
ИССЛЕДОВАНИЕ И АНАЛИЗ НАПРЯЖЕНИЙ И ДЕФОРМАЦИЙ В ПЕРЕХОДНОЙ ЗОНЕ ТИТАНО-АЛЮМИНИЕВЫХ ПАНЕЛЕЙ ПРИ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКЕ ДЛЯ ОЦЕНКИ
ЕЕ ДЕФЕКТНОСТИ
В.Н. Гадалов, С.Н. Кутепов, И.А. Коваленко, К.В. Жилина, А.А. Калинин
В статье выполнены расчеты и представлен анализ изменений напряжений и деформаций ин-терметаллидной прослойки в переходной зоне титано-алюминиевых панелей при диффузионной сварке. Представлены рекомендации по получению качественных диффузионно сварных Ti-AI-соединений, обеспечивающих оптимальную толщину прослойки на границе контактирования титана и алюминия при диффузионной сварке.
Ключевые слова: диффузионная сварка, титан, алюминий, напряжения и деформации, модель, прослойка, толщина, конструкция, панель.
Пустотелые конструкции из титановых и алюминиевых сплавов в виде панелей имеют широкое применение в авиации и космической технике, а также в других отраслях, где требуется высокая прочность и работоспособность, т. е. исполнение эксплуатационных требований при минимальном весе и энергозатратах. В связи с этим, проблеме изготовления подобных изделий посвящено большое количество разработок [1-21]. Однако поведение прослоек при диффузионной сварке титана с алюминием мало изучено.
Материалы и методы исследования. Для уточнения роли интерметаллидной прослойки необходимо провести исследование ее напряженно-деформированного состояния методом математического моделирования в переходной зоне титано-алюминиевой конструкции при диффузионной сварке, а также применить для оценки остаточных напряжений современную аналитико-расчетную математическую платформу.
Металлографическим методом исследовать структуру переходной зоны на предмет появления в ней трещин. Проанализировать влияние толщины прослойки на величину в ней остаточных растягивающих напряжений и их роль в образовании трещин.
Результаты и их обсуждение. Прослойка на границе контактирования Ti-AI представляет собой плоский слой переменной толщины в зависимости от времени выдержки при температуре сварки [35].
В связи с разностью коэффициентов температурного расширения титана и алюминия
( 6 1 6 1 ^ -
а = g 5. 1 о~6 а = 25 10 в прослойке возникает сложное напряженное состояние,
Ii ' \' Al \
град град J
точное описание которого представляет значительные трудности из-за нестабильности поведения металла при нагреве и охлаждении.
Процесс изменения напряжений и деформаций можно представить следующей упрощенной
схемой:
- в процессе нагрева в результате разности an и cui] и в предположении, что образцы Ti и Al находятся в свободном состоянии (до образования физического контакта), температурная деформация в поперечном направлении составит:
s А1нагр =а Al ' AT, гТтагр = aTi ' AT, где ДТ - разность температур AT = T^ - Tq ;
