CC BY
12
УДК 621.922:519.876.5 О.С. Ломова, И.А. Сорокина,
Омский государственный технический университет, г. Омск
РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ СОСТАВЛЯЮЩИХ СИЛ РЕЗАНИЯ ПРИ ОБРАБОТКЕ ВАЛОВ
Высокие показатели точности и надежности оборудования зависят от условий изготовления ответственных деталей, обеспечиваемых, главным образом точностью станка [1]. Для достижения точности в массовом производстве целесообразно построение математической модели процесса обработки как динамической преобразующей системы.
Проведенные экспериментальные исследования обеспечения точности изготовления вала центробежного насоса ДЦН80 (вал II), предназначенного для подачи топлива в авиадвигатели, и для вала двигателя ДС0.02 (вал I) позволили выявить влияющие технологические факторы и на их основе разработать математическую модель и определить пути управления технологической системой в процессе шлифования [2,3]. Основные конструктивные особенности валов представлены на рисунке 1.
Рис. 1. Конструктивные особенности валов
Объектом исследования явился процесс обработки вала.
В процессе шлифования происходит комплексное воздействие технологических факторов на поверхностные слои обрабатываемых заготовок, в результате возникают упругопластические деформации и другие явления, приводящие к образованию остаточных напряжений.
259
Исследования были направлены на решение следующих задач: рассмотрение конструктивно-технологических особенностей данного класса деталей, определение степени влияния технологических факторов на точность обработки, выявление особенностей шлифования наружных цилиндрических поверхностей.
Моделирование динамических и механических систем в программе Solid Works можно условно разложить на два этапа: 1) создание пространственной модели технологической системы круглошлифовального станка; 2) задание в надстройке Cosmos Motion степеней свободы подвижных соединений и постоянных движений узлов станка и заготовки, обусловленных приложением к ним внешних усилий. Первый этап можно представить в виде последовательности действий: 1) создание пространственных моделей узлов и деталей, из которых состоит технологическая система; 2) задание свойств материалов заготовки и шлифовального круга; 3) соединение деталей и сборку, адекватную объекту исследования с использованием соответствующих сопряжений: шлифовальный круг движется относительно заготовки, которая в закреплена в неподвижных центрах, расположенных в передней и задней бабках и круглошлифовального станка. На втором этапе для расчета движение шлифовального круга и заготовки в Solid Works Motion применяется полное кинематическое моделирование с симуляцией контакта между выбранными компонентами с повтором исследований для различных режимов обработки.
Предварительно были выбраны кинематические связи для создания движения шлифо-
вального круга (электродвигатель) и заготовки (поводковое устройство), и рассчитано движение объекта в сборке в зависимости от типа обработки: черновой и чистовой подачи, или выхаживания (табл. 1).
Параметры технологической системы во время обработки
Таблица 1
Шлифовальный круг Тип: 15А50СТ2К Материал: электрокорунд; Размеры: ПП 200x50x76,2 Плотность: 3,85 - 3,95 г/см ; Микротвердость: 18,9 - 19,6 ГПа; Механическая прочность: 8,6 - 19,9 Н; Абразивная способность: 0,06 г/мин; Насыпная плотность: 143 г/см3; Модуль упругости: 7,620 Н/см2
Заготовка Материал Ст 40 Х, 38Х2НЮА
Размеры 0 = 25 мм; 1 = 100 мм
№ Параметр черновая чистовая выхаживание
1 Скорость заготовки, м/мин 40 30 30
2 Скорость круга, м/с 60 40 40
3 Угловая скорость заготовки, рад/мин 933,2 668,8 668,8
4 Угловая скорость круга, рад/мин 80 54 1,4
5 Частота вращения шпинделя заготовки, об/мин 148,6 106,5 21,23
6 Частота вращения шпинделя круга, об/мин 764 510 13
7 Подача на глубину шлифования, мм/об 0,08 0,005 0
8 Сила резания: Ру, Н 7,1 0,5 0
9 Припуск, мм 0,4 0
10 Основное технологическое время, мин 3,4 1,8
260
В результате моделирования получены эпюры сил контакта при различных режимах обработки (рис. 2).
Н--1--1-1--1--1--1-1--1--1--1-1--1--1-1---1—Н
19.56
о
14. 02
13.17 7.63 6. 78
1.24
0. 39
-5.15
-6.00
-11.54
-12.39
-17.93
0.0 0. 5 1. 0 1. 5 2. 0 2. 5 3.0 3. 5 4.0 4. 5 5.0
Время (с)
-18.78
0.0 0. 5 1. 0 1. 5 2. 0 2. 5 3. 0 3. 5 4. 0 4. 5 5. 0
Время (с)
а) б)
7. 50 5. 00 2. 50 0. 00 -2.50
л
Ц
S
О
-5.00
-7.50
0. 0 0. 5 1.0 1.5 2.0 2.5 3. 0 3. 5 4.0 4.5 5.0
Время (с) в)
Рис. 2. Зависимость силы контакта между шлифовальным кругом и заготовкой:
а) черновая подача; б) чистовая подача; в) выхаживание
Зависимости подтверждают собственные эксперименты и результаты исследований других авторов и доказывают, что интегральная сила шлифования состоит из отдельных силовых импульсов единичных режущих зерен круга и имеет пульсирующий характер.
Задачи динамического анализа могут решаться посредством Solid Works Simulation в конфигурации Premium, если в системе преобладают деформации самой заготовки и интерес представляют не только усилия в соединениях, но и напряженно-деформированное состояние модели. Для анализа определяем эпюру напряжений по Мизесу (Н/м2). Далее строим эпюру результирующего перемещения URES (мм) и после решения задачи статического анализа получаем графики, по результатам которых строятся гистограммы, отражающие влияние деформаций и напряжений по длине заготовки (рис. 3).
Полученные результаты позволяют сделать вывод о неустойчивости процесса шлифования. Даже при достаточной жесткости конструкции станка и при отсутствии дисбаланса
круга в процессе обработки возникают колебания, приводящие к пространственным поворотам элементов технологической системы. Основными рекомендациями по повышению виброустойчивости шлифования являются изменение скорости вращения заготовки непосредственно во время обработки, максимальное увеличение угловой скорости круга и уменьшение его дисбаланса.
261
а)
б)
Рис. 3. Влияние деформаций (а) и напряжений (б) по длине заготовки: 1 - заготовка 0 = 25 мм, 2 - заготовка 0 = 50 мм
Математическое моделирование и выявление динамических параметров технологической системы позволяет достаточно достоверно определять устойчивые циклы шлифования и повысить точность формы обрабатываемых поверхностей валов. Построенная в программе SolidWorks модель может экспортироваться в программу АКБУБ. Это позволит получить зависимости не только с учетом силовых и упругих деформаций технологической системы, а также контролировать отклонение оси вала при обработке с целью исключения конусообраз-ности поверхности.
Библиографический список
3. Точность производства в машиностроении и приборостроении / под ред. А. Н. Гаврилова. - М. : Машиностроение. - 1973. - 567 с.
2. Ломова, О. С. Формообразование цилиндрических поверхностей в процессе финишной обработки / О. С. Ломова // Омский научный вестник. Серия Приборы, машины и технологии. - 2011. - № 2(100). - С. 44 - 46.
3. Ясев, А. Г. Исследование точности процесса шлифования валов гидромашин / А. Г. Ясев, К. Г. Меженная // Прогрессивные технологии и системы машиностроения: сб. науч. трудов. - 2008. - № 36. - С. 245-252.
