CC BY
8Разработка и исследование технологической системы с циклоидальным электрохимическим формообразованием дискретно-щелевых структур
Иванов Дмитрий Вячеславович
кандидат технических наук, доцент кафедры «Металлорежущие станки», МГТУ им. Н.Э. Бауман, [email protected]
Тетюшин Иван Дмитриевич
студент кафедры «Металлорежущие станки», МГТУ им. Н.Э. Баумана, [email protected]
Каудерер Константин Максимович
студент кафедры «Металлорежущие станки», МГТУ им. Н.Э. Баумана, [email protected]
Андрюхин Николай Дмитриевич
студент кафедры «Металлорежущие станки», МГТУ им. Н.Э. Баумана, [email protected]
Современные тенденции развития отраслей промышленности диктуют все более строгие требования к конструкциям и их деталям. В ряде случаев, улучшение свойств детали достигается усовершенствованием существующего оборудования, повышением точности и производительности обработки. В случаях, когда обработка заготовки или изготовление детали традиционными методами невозможна, встает вопрос о разработке новых технологий. Проведённый в данной работе анализ обрабатываемых деталей выявил потребность в создании новой технологической системы. На основе анализа компоновок оборудования, векторного моделирования компоновки станка с циклоидальным электрохимическим формообразованием, разработки кинематической схемы бироторного электрохимического обрабатывающего комплекса в данной работе представлена технологическая система с циклоидальным электрохимическим формообразованием для изготовления непрерывных и дискретно-щелевых структур на тонкостенных заготовках и заготовках из труднообрабатываемых материалов и описаны ее основные преимущества.
Ключевые слова: электрохимический метод обработки, векторная формализация, циклоидальная схема формообразования, бироторный обрабатывающий комплекс, дискретно - щелевая структура, многоэлектродный блок.
Целью данной работы является разработка технологической системы на базе электрохимического метода обработки с циклоидальной схемой формообразования. Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
1. Анализ обрабатываемых деталей и компоновок оборудования.
2. Разработка векторной формализации технологической компоновки обрабатывающего комплекса с ЦЭФ с внешней схемой касания технологической пары.
3. Разработка кинематической схемы бироторного обрабатывающего комплекса с внешней схемой зацепления технологической пары инструмент-деталь при циклоидальном формообразовании.
Актуальность использования новой технологии может быть связана с невозможностью изготовления деталей с дискретно - щелевой структурой, которые можно разделить на 2 основных типа:
1. Детали, толщина стенки которых не позволяет вести обработку без деформирования: плоские (после развертывания) и тонкостенные фильтры, сепараторы, теплообменники и т.д.
2. Детали из материалов, обладающих физическими свойствами, не позволяющими обработку традиционными методами. Например, материалы повышенной твердости, хрупкие и пластичные материалы. Примерами таких деталей могут быть, фигурные валки из инструментальной стали для прокатного стана, плунжеры и валы из труднообрабатываемых материалов с оребрением под покрытие, втулки из пластичных материалов и т.д.
Так же могут существовать примеры, совмещающие оба вышеперечисленных фактора. Такие детали могут относится к области разработки силовых авиационных конструкций или конструкций космической промышленности из материалов традиционных для данных отраслей (титан, алюминий), в частности к силовой конструкции отсека фюзеляжа самолета. Исходя из особенностей совмещаемых методов обработки, следует упомянуть об ограничениях, накладываемых на детали, обрабатываемые новым методом. Обрабатываться могут:
1. Детали типа «тела вращения»
2. Детали из токопроводящих материалов
3. Детали, требующие обработки наружных и внутренних поверхностей
X X
о
го А с.
X
го т
о
ю
2 О
м
см
0 см
1Л
01
О Ш
т
X
<
т О X X
Рис. 1. Детали со сквозной и глухой дискретно- щелевой структурой.
а) фильтрующие элементы, б) оребренные трубы теплообменников, в) фигурные валки, г) плунжеры и валы с оребре-нием под покрытие.
Анализ деталей, изготовление которых требует применения новой технологии показывает, что компоновке обрабатывающего комплекса необходимо обеспечивать обработку наружных поверхностей заготовок. Для изготовления деталей с дискретно-щелевой структурой кинематика формообразования технологического комплекса должна включать в себя минимум два движения: вращение заготовки и инструмента [4].
На основе методов векторной алгебры [1,2] для технологической пары деталь-инструмент и ее кинематики была формализована система векторов (рис. 2) для описания траектории формообразования S (интегрального параметра) и, на ее основе, охарактеризована конфигурация получаемого профиля изделия для однозначного описания законов формообразования циклоидальных схем обработки.
Ф(В,)
! А М ЭЗ \
Рис. 2. Формализация технологической компоновки технологических систем с ЦЭСФ в векторном виде при внешней схемой расположения технологической пары. 1-деталь; 2- инструмент; в- траектория формообразования; I- длина прорези по внутренней поверхности; р- радиус формообразования; ф - угол формообразования; МЭЗ-меж-электродный зазор
Согласно принципу относительности движений детали 1 и связанная с ней система координат зафиксирована от вращения, в то время как инструменту 2 с центром Ои сообщается обращённое вращательное движение -Ф (В1). Движение происходит вокруг центра детали Од и имеет угловую скорость -Шд. Угловая скорость в данном случае будет равна по величине угловой скорости Шд вращения детали 1 ф (В1) и противоположна ей по направлению (рис. 3). Вышеизложенное используется для описания траектории формообразования S, которая функционально представляется в полярных координата (р, ф) зависимостью р=Р(ф).
Рассмотрим результирующее циклоидальное движение 01 вершины электрода-инструмента (формообразующей точки), которое характеризуется зависимостью р=Ё(ф) в координатах, связанных с центром Од детали 1.
Отклонение центра Ои1 инструментального многоэлектродного блока на определенный угол, определяемое перемещением радиус-вектора межцентрового расстояния А в обращенном движении от начального положения через время t обозначим через т. Точка пика протекания электрохимической реакции между инструментом и загатовкой за т переместится из точки пика проведения химической реакции р в точку пика р1, при этом радиус-вектор Ии+ МЭЗ данной точки повернется на угол 9 вокруг центра Ои относительно нулевого положения [6].
Рис. 3. Обобщенная векторная модель формообразования щели
1-деталь; 2- инструмент; в- траектория формообразования; I- длина прорези по внутренней поверхности; р- радиус формообразования; ф - угол формообразования; МЭЗ-меж-электродный зазор
В данном случае имеют место зависимости: Т =- Шд t и 9= Ши t.
Текущий радиус - вектор формообразования р, являющийся одним из дифференциальных показателей траектории формообразования, направленный из центра детали Од в точку пика протекания реакции р1, определяется в векторном виде как суммой векторов А и Щи+МЭЗ):
р = А + Яи+МЭЗ .
Здесь А - вектор расположения центра многоэлектродного инструментального блока Ои относительно начала координат Од, направленный из Од в Ои и чис-
ленно равный межцентровому расстоянию А; Ии - радиус-вектор координирующий вершину многоэлектродного инструментального блока + МЭЗ относительно его центра Ои [6].
Для иллюстрации системного характера расположения щелей по поверхности типа «тело вращения» с указанием геометрических параметров щелевой структуры представлены фрагменты деталей на рисунках 4 и 5.
Каждая щель (сквозная или глухая) представляет собой часть пространства, ограниченного криволинейными гранями, образованными в цилиндрическом теле заготовки при ее обработке вращающимся многоэлектродным инструментальным блоком.
Порядок расположения на поверхности детали, а так же форма и размеры каждой щели характеризуют геометрические параметры непрерывно и дискретно-щелевых структур.[5].
А -
V
А-А
Рис. 4. Фрагменты деталей со сквозной щелевой структурой
Б-Б
ш
I =
скоростей.
д
ш
Вывод: При разработке бироторного технологического комплекса для изготовления непрерывно- и дискретно-щелевых структур необходимо учитывать метод модульного построения компоновки технологических систем и возможность усовершенствованиям существующих токарных обрабатывающих центров, путем оснащения его дополнительной кинематикой вращения инструмента.
При разработке компоновки обрабатывающего комплекса, способного реализовать новый метод обработки, следует ориентироваться на следующие правила:
1. Базой обрабатывающего комплекса необходимо считать конструкцию станка с циклоидальной схемой формообразования, который в свою очередь может иметь технологическую компоновку с внешней, внутренней и охватывающей схемами касания технологической пары инструмент-деталь.
2. Необходимо учитывать особенности конструкций станков для электрохимической обработки.
3. Интеграция конструктивных элементов станков для ЭХО не должна влиять в худшую сторону на показатели качества конструкции и критериев работоспособности станка.
> т»«' \ * У*
Рис. 5. Фрагменты деталей с глухой щелевой структурой
Для изготовления щелевых структур необходимо знать параметры характеризующие их конфигурацию (рис. 4, 5): I - длина щели; ф - угол наклона винтовой линии расположения щелей; к - окружной шаг расположения щелей по винтовой линии; к 1 - осевой шаг расположения щелей; а - длина межщелевой перемычки; р -угол наклона винтовой линии расположения рядов щелей к оси детали.
Длина дуги окружности профиля заготовки определяет длину щели(сквозной или глухой) I и измеряется между начальной и конечной частями траектории циклоидального формообразования движения многоэлектродного инструментального блока (его вершины+МЭЗ) относительно заготовки, и функционально зависит от геометрических параметров схемы технологического «контакта» и отношения угловых скоростей движений вращения детали и вращающегося инструмента с учетом их направления вращения друг относительно друга и определяется моделью циклоидального формообразования щели:
1=/(А, I, Яд, Яи,МЭЗ).
Где А - межцентровое расстояние технологической пары; Яд и Яи- радиусы поверхности детали, на которой измеряется щель, и радиус инструмента соответственно, МЭЗ - межэлектродный зазор;
передаточное отношение угловых
РНом=9 кЕт пдзпв»=5500 пинт пдзнм=500 мин-1
Рис. 3. Кинематическая схема бироторного обрабатывающего комплекса. 1. Источник технологического тока, 2. То-коподводы, 3. Оборудование для хранения, охлаждения, регенерации и регулирования параметров рабочей среды (электролита), 4. Многоэлектродный блок(инструмент), 5. Рабочая ванна с электролитом
Заключение. В данной статье представлена технологическая система с циклоидальным электрохимическим формообразованием для изготовления тонкостенных деталей с дискретно-щелевой структурой и деталей из труднообрабатываемых материалов. Так как при ЭХО отсутствуют силы резания, а производительность ЭХО не зависит от твёрдости материала и других физических свойств проблемы деформации и труднообраба-тываемости возникать не будут[3]. Важными преимуществами данной технологической системы следует выделить отсутствие необходимости исследования системы на жесткость и практическое исключение вероятности поломки инструмента.
Литература
1. Иванов Д.В. Критериальная оценка технологической компоновки металлорежущих станков с циклоидальной схемой формообразования деталей // Известия вузов. Машиностроение. 2017. № 2. С. 39-49.
X X
о
го А с.
X
го т
о
ю
2 О
м
I
II
и
2. В. М. Утенков, П.М. Чернянский, С.Н. Борисов, Г.Н Васильев, Д.В. Иванов и др. Проектирование автоматизированных станков и комплексов: учебник в 2-х т / под ред. П. М. Чернянского Том 1. М. МГТУ им. Н.Э. Бау-мана.2012. 331 с.
3. Иванов Д. В. Электрохимическая обработка машиностроительных деталей // Студенческий вестник МГТУ им. Баумана сборник научно-исследовательских работ студентов.- М., 2004. С. 42 -49.
4. Иванов Д. В. Анализ конструкций изделий с дискретно-щелевой структурой и технологий их изготовления // Наука и образование. МГТУ им. Н. Э. Баумана. Электрон. журн. 2013. №5.
5. Иванов В.С.., Васильев Г.Н., Зубков Н.Н., Иванов Д.В. Моделирование процесса формообразования при получении щелевых структур вращающимся лезвийным инструментом // Технология машиностроения, №8. 2007. С.14-17.
6. Иванов Д.В. Моделирование процесса формообразования дискретно-щелевых структур при бирототр-ной лезвийной обработке// Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2013. №7. С. 345368.
Development and research of a technological system with cycloidal
electrochemical shaping of discrete-slot structures Ivanov D.V., Tetyushin I.D., Kauderer K.M., Andryukhin N.D.
Bauman MSTU
JEL classification: C10, C50, C60, C61, C80, C87, C90_
Modern trends in the development of industries dictate more and more stringent requirements for structures and their details. In some cases, the improvement of the properties of the part is achieved by improving the existing equipment, increasing the accuracy and productivity of processing. In cases where the processing of a blank or the manufacture of a part by traditional methods is impossible, the question arises of the development of new technologies. The analysis of the processed parts carried out in this work revealed the need to create a new technological system. Based on the analysis of equipment layouts, vector modeling of the layout of a machine tool with cycloidal electrochemical shaping, and the development of a kinematic diagram of a biotor electrochemical processing complex, this paper presents a technological system with cycloidal electrochemical shaping for the manufacture of continuous and discrete slit structures on thin-walled workpieces and workpieces from difficult-to-machine materials and describes its main advantages. Keywords: electrochemical processing method, vector formalization, cycloidal shaping scheme, birotor processing complex, discrete-slot structure, multi-electrode block. References
1. Ivanov D. V. Criterion evaluation of the technological layout of metal-cutting
machines with a cycloidal scheme of forming parts // Izvestiya vuzov. Mechanical engineering. 2017. No. 2. pp. 39-49.
2. V. M. Utenkov, P. M. Chernyansky, S. N. Borisov, G. N. Vasiliev, D. V.
Ivanov, etc. Design of automated machines and complexes: textbook in 2 t / ed. by P. M. Chernyansky Volume 1. Moscow State Technical University named after N. E. Bauman.2012. 331 p.
3. Ivanov D. V. Electrochemical processing of machine-building parts //
Studencheskiy vestnik MSTU im. Bauman sbornik nauchno-issledovatel'nykh raboty studentov.- M., 2004. p. 42-49.
4. Ivanov D. V. Analiz konstruktsii izdeliy s discretno-schelevoy struktury i
tekhnologii ikh izdeleniya [Analysis of product designs with discrete-slot structure and technologies of their manufacture]. Bauman Moscow State Technical University. Electron. zhurnal. 2013. No. 5.
5. Ivanov V. S., Vasiliev G. N., Zubkov N. N., Ivanov D. V. Modeling of the
process of forming when obtaining slot structures with a rotating blade tool / / Tekhnologiya mashinostroeniya, No. 8. 2007. pp. 14-17.
CN
0 СЧ
in
01
О Ш
m x
<
m о x
X
