УДК 67.05
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-8-275-276
РАЗРАБОТКА УСТРОЙСТВА ДОРАБОТКИ ВЕРТИКАЛЬНО-ФРЕЗЕРНОГО СТАНКА 676П ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ ПРОЦЕССА СВАРКИ ТРЕНИЕМ С ПЕРЕМЕШИВАНИЕМ
Д.В. Антипов, М.А. Михеев, А.А. Ткаченко, Г.И. Рыжов, А.К. Крюкова, П.С. Гвоздева
В данной статье рассматриваются технологические параметры СТП, а также процесс разработки конструкции устройства, позволяющего создавать и контролировать осевое усилие на шпинделе универсального вертикально-фрезерного станка 676П.
Ключевые слова: сварка трением с перемешиванием, технология, сварка, авиастроение, устройство.
В связи с развитием аэрокосмической отрасли появляется необходимость пересматривать требования к ряду технологического оборудования. На данный момент большинство имеющегося технологического оборудования не соответствует новым подходам, технологиям изготовления аэрокосмической техники. Для соответствия новым подходам и технологиям изготовления требуется либо модернизировать имеющиеся отечественное оборудование, либо приобрести новое дорогостоящее из-за рубежа. Такая проблема существует при реализации технологического процесса сварки трением с перемешиванием. Известно, что технологические особенности СТП, помимо скорости вращения шпинделя, перемещения стола и угла наклона шпинделя относительно стола станка, заключаются в осевом усилии на шпинделе, контроль которого невозможен на универсальном вертикально-фрезерном станке без дополнительных доработок. Решить данную проблему можно путем его модернизации возможностями создания и управления осевым усилием на шпинделе для выполнения простых сварных швов методом СТП. Для реализации данной задачи подходит вертикально-фрезерный станок 676П, который имеется на кафедре «Производство летательных аппаратов и управления качеством в машиностроении» Самарского университета им. С. П. Королева.
Первым этапом решения поставленных задач является рассмотрение технологии сварки трением с перемешиванием.
Сварка трением с перемешиванием — это метод соединения частей, ограничивающий зоны соединения между ними. Этот метод предполагает выполнение следующих шагов без перемещения соединяемых частей относительно друг друга: инструмент, изготовленный из более твердого материала, чем материал соединяемых заготовок, проникает в зону соединения и прилегающие участки соединяемых частей с обеих сторон линии соединения; затем инструментом производятся вращательные движения относительно соединяемых частей, при этом выделяется теплота трения, переводя прилегающие участки в пластичное состояние; инструмент передвигается, позволяя пластичным участкам затвердевать и охлаждаться, скрепляя соединяемые части друг с другом. Принципиальные преимущества СТП процесса, происходящего в твёрдой фазе — это малые искажения формы изделия, отсутствие дефектов, связанных с плавлением, и высокая прочность соединения даже в тех сплавах, которые не поддаются традиционной технологии сварки.
Несмотря на то, что незначительное плавление во время сварки определённых материалов все же наблюдается, СТП рассматривается как технология твердотельного соединения. Средняя температура материала остаётся ниже точки плавления большинства фаз в материале. Однако некоторые сплавы могут содержать незначительное количество примесей, температура плавления которых значительно ниже точки плавления основного материала. Обработка давлением и термообработка при производстве сортового проката и сходные с ней процессы обычно предотвращают плавление во время СТП.
Разработка технологии СТП уже достигла высокого уровня, она используется в таких областях как гражданское и военное авиастроение, где до этого сварка никогда не применялась. Перечень компаний, использующих СТП, постоянно увеличивается. В него входят: Boeing, Airbus, Eclipce, BEA, NASA и другие концерны транспортного машиностроения по всему миру. CTG широко используется в области ракетостроения в США и Европе: при сварке корпуса внешнего топливного бака Space Shuttle, при производстве топливных баков различных ступеней РН Ariane, Falcon-9, при производстве ступеней РН Ares-1.
СТП представляет собой способ соединения элементов конструкции в твёрдой фазе с использованием неплавкого инструмента, с должным образом профилированным плечом и пробником. При этом инструмент изготавливается из более твёрдого материала, нежели материал свариваемой конструкции. СТП может рассматриваться как технология соединения материалов в твёрдой фазе и по характеру процесса является автогенной сваркой.
Вращающийся инструмент погружается в область сварного шва и проходит вдоль линии сварки, нагревая соприкасающиеся элементы за счёт поверхностного и внутреннего трения, таким образом, образуется сварное соединение путем экструзии, ковки и перемешивания материала обоих элементов конструкции в непосредственной близости от инструмента.
К основным параметрам процесса СТП, которые представлены схематично на рис. 1, относятся:
Конфигурация сварочного инструмента;
Наружный диаметр, форма, технологические и геометрические свойства плеча;
Длина, распределение диаметра по длине, форма, технологические и геометрические свойства пробника;
Угол наклона между плоскостью заготовки и осью вращения пробника;
Соотношение между статическим и динамическим объёмом пробника;
Эксцентриситет оси инструмента относительно номинальной оси вращения инструмента;
Система зажимных приспособлений;
Аксиальная нагрузка;
Направление вращения инструмента (по/против часовой стрелки);
Глубина погружения пробника в заготовку;
Скорость погружения пробника в заготовку в стартовом положении;
Выдержка времени при старте сварки;
Угол наклона;
Угол бокового наклона;
Управление на этапе сварки, погружения инструмента и в состоянии покоя; Температура предварительно в процессе подогрева обрабатываемых изделий; Скорость сварки относительно скорости вращения.
осевое устгав [й], достаточное для поддержи и необходимого контакта
отступающая сторона (свариваемая кромка)
ишраапси кскоро ль вращения [Л] ^ напршенне'скороаь свпри: [у]
пуодвшющжя сторона (край среза)
щш \ - 1 "
оорабэтыьаеиьк изделий
задний фронт
Рис. 1. Схема основных параметров СТП
После анализа технологических параметров процесса СТП, с помощью которых формируются различные режимы сварки, рассмотрим универсальный вертикально-фрезерный станок 676П, который на первый взгляд может подойти для выполнения доработки, в части создания на нем конструкции для осуществления процесса СТП
Станок 676П (рис. 2) предназначенный как для горизонтального фрезерования изделий цилиндрическими, дисковыми, фасонными и другими фрезами, так и для вертикального фрезерования торцевыми, концевыми и шпоночными фрезами.
Рис 2. Станок 676П
Наличие горизонтального и вертикального поворотного шпинделей, а также ряда прилагаемых к станку принадлежностей (универсального стола, круглого стола, делительной головки и др.) делает станок широкоуниверсальным и удобным для работы в инструментальных цехах при изготовлении приспособлений, инструмента, рельефных штампов, пресс-форм и других изделий.
Данное оборудование подходит по функциональным параметрам для реализации поставленных задач проекта, связанных с процессом СТП. В рабочем состоянии станок имеется на кафедре «Производства летательных аппаратов и управления качеством в машиностроении» Самарского университета им. С.П. Королева. Так же данный станок можно приобрести в отличном состоянии за 250-500 т.р., что в сравнении с специальным оборудованием для СТП существенно выгоднее.
Для разработки способа и конструкции устройства был найден паспорт станка 676П, так же произведен реверс инжиниринг важных, базовых, крепежных плоскостей поворотной головы и стола станка (рис. 3) для дальнейшей опытно-конструкторской проработки, с точки зрения создания и контроля осевого усилия на шпинделе.
Для создания и контроля осевого усилия на шпинделе была разработана схема нагружения шпинделя с необходимой силой.
За основу была взята схема «Рычаг второго рода» (рис. 4).
Согласно ранее разработанному технологическому процессу сварки трением с перемешиванием двух пластин АМг6 толщиной 3 мм, одним из значений технологического режима обозначено значение осевого усилия Р = 1500 кг была разработана схема доработки станка (рис. 5).
Рис. 3. Модель крепежных плоскостей поворотной головы и стола станка
О
Тяга
Груз
\Р - =¿2. Р 1У
Рис. 4. Рычаг второго рода
Балка
__ . Ось драшения
!.•>• • м ! . Простадко - адаптер
Кронштейн доработки
__ Голоба станка
. Инструмент станка Заготодка Стол станка
у>
х / ,-•'.'••••'' /X У////
Рис. 5. Схема доработки станка
Исходя из габаритных размеров оборудования, помещения и адаптации конструкции к существующему оборудованию при выборе схемы нагружения (рис. 6) были взяты значения балки !=90мм и L=810мм.
Р
82
В1
"Л
/
Рис. 6. Схема нагружения
Была подобрана конфигурация сечения балки (рис. 7), на которую будет приходить изгибающий момент. Далее были произведены расчеты устойчивости конструкции к нагрузкам (рис. 8).
По результатам расчетов можно сделать вывод, что сечение удовлетворяет условию прочности. Далее была выполнена проверка путем моделирования в программе «SolidWorks». Результаты программных расчетов подтвердили правильность физических расчетов.
и чз \ \ б 7 / \
/
' 4=1 \ \ \ \ \
80
Рис. 7. Сечение балки
Дано: К
1==19 (СМкг I = 81 см
4
ц=Р*1_-К2*1 = 0
Я2*1
Р = — = 166,7 кг цизг = Р*(1_ - I) = 12,002 кг* W
кг*см
Расчет МЦХ плоских фигур
Количество тел N 1
Количество отверстий Н1 - 0
Плошадь 5 = 14.400000 см2
Центр масс Хс « 4.000000 см
Yc = —4.600 000 см
Б вешанной системе координат:
Осевые моменты инерции Зх - 508.096000 см4
Зу = 281.744000 СМ4
Центробежный момент инерции Зху = -2 64.960000 см4
Б центральной системе координат:
Осевые моменты инерции ах = 20 3.392000 см4
ау = 51.344000 СМ4
Центробежный момент инерции Зх у = 0.000000 см4
В главной центральной системе координат:
Осевые моменты инерции ах = 51.344000 см4
ау = 203.392000 см4
Угол наклона главных осей А = 90" (90.000000";
Рис. 8. Расчеты устойчивости конструкции к нагрузкам
После подбора сечения балки и реверс-инжиниринга некоторых поверхностей станка были разработаны конструкции устройства, позволяющего создавать и контролировать осевое усилие на шпинделе станка. Ниже показана последовательность сборки конструкции, а именно сборка переходного узла на вал шпинделя станка (рис.9)
Рис. 9. Сборка переходного узла
При разработке были найдены и подобраны уже готовые элементы конструкции (подшипники) (рис. 10)
Рис. 10. Покупные элементыг конструкции
278
Некоторые поверхности технологического оснащения были сделаны условно, для дальнейшей доработки (по факту обмера покупаемых узлов). Предполагается, что все отверстия будут разделываться по месту. Сборка конструкции будет осуществляться непосредственно на станке. На рис. 11 показана последовательность монтажа покупных готовых деталей.
Рис. 11. Монтаж покупных готовых изделий
Далее был произведен монтаж балки и груза (рис.12).
Рис. 12. Монтаж балки и груза
Для проработки стоимости реализации разработанной конструкции устройства была изготовлена конструкторская документация, которая была направленна на оценку стоимости изготовления, соответствующим работникам университета. Конструкция содержит сварочные, токарные, фрезерные работы. Стоимость изготовления с учетом материала, покупных узлов и грузов составила около 50-60 т.р.
После проделанной опытно-конструкторской работы запланировано изготовление конструкции устройства, доработка станка и проведение дальнейших исследований в области сварки трением с перемешиванием (исследование новых режимов сварки различных материалов, разработка новых конфигураций инструмента)
Прорабатывается вопрос разработки следующей версии ранее разработанной конструкции устройства, который будет выполнен с применением пневмогидравлических систем. Этот способ будет нацелен на программное отслеживание и корректировки силы давления на ось шпинделя станка (с помощью датчиков давления).
Дальнейшее исследование процесса СТП можно рассмотреть как перспективную технологию изготовления, производства, строительства в космическом пространстве.
Так же процесс моделирования СТП достаточно сложен и на данный момент коммерческие фирмы по разработке программного обеспечения не располагают подходящей компьютерной программой, которая могла бы полностью моделировать все условия СТП. С учётом двойственной природы процесса СТП при моделировании необходимо учитывать все факторы, в противном случае ценность полученных результатов весьма незначительна.
Список литературы
1. Ткаченко Е.И., Лукин А.С., Прошутинский Д.А. Разработка инструмента для сварки трением с перемешиванием конструкционных, нержавеющих сталей и титановых сплавов // Молодежь, наука, творчество: Материалы XVIII Всероссийской научно-практической конференции студентов и аспирантов - Омск: Омский государственный технический университет. 2020. С. 548-552.
2. Елисеев А.А. Разработка технологии сварки трением с перемешиванием с ультразвуковым воздействием для получения неразъемных соединений материалов космического назначения // "Орбита молодёжи" и перспективы развития российской космонавтики: сборник докладов Всероссийской молодёжной научно-практической конференции. Томск: Национальный исследовательский Томский политехнический университет. 2017. С. 149-150.
3. Владимиров Е.Н. Разработка приспособления для измерения продольного усилия при сварке трением с перемешиванием / Е.Н. Владимиров, С.А. Постников, А.В. Фаткулин, Н.А. Худяков, В.В. Каратыш // MASTER'S JOURNAL. 2013. №2. С. 117-122.
4. Амиров А.И. Подбор режима сварки трением с перемешиванием алюминиевого и титанового сплавов / А.И. Амиров, В.А. Белобородов, А.Н. Иванов, Л.Л. Жуков // Перспективные материалы с иерархической структурой для новых технологий и надежных конструкций: X международная конференция «Химия нефти и газа». Томск: Издательский дом Томского государственного университета. 2018. С. 520.
5. Бартон К.А., Матлак М.П. Устройство и способ измерения нагрузок, действующих на инструмент машины для сварки трением с перемешиванием // Патент России 2450902 C2. 2012.
6. Int. Patent № PCT/GB92/02203. Friction stir butt welding / W.M. Thomas, 1991.
7. Mishra R.S., Ma Z.Y. Friction stir welding and processing // Mater. Sci. Eng. R., 2005. № 50. С. 1-78.
8. Threadgill P.L., Leonard A.J., Shercliff H.R. Withers friction stir welding of aluminum alloys // Int. Mater. Rev. 2009. № 54(2). С. 49-93.
9. Bhadeshia H.K.D.H., DebRoy T. Critical assessment: friction stir welding of steels // Sci. Technol. Weld. Joining. 2009. № 14(3). С. 193-196.
10. Shneider J.A. Temperature distribution and resulting metal flow // Friction stir welding and processing. 2007.
С. 37-49.
Антипов Дмитрий Вячеславович, д-р техн. наук, профессор, заведующий кафедры, [email protected], Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет им. ак. С.П. Королёва,
Михеев Михаил Александрович, аспирант, ассистент, [email protected], Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет им. ак. С.П. Королёва,
Ткаченко Алексей Александрович, лаборант НИИ-219, tkachenko.aa@ssau. ru, Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет им. ак. С.П. Королёва,
Рыжов Георгий Игоревич, студент, старший лаборант, ryzhov. gi@ssau. ru, Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет им. ак. С.П. Королёва,
Крюкова Анастасия Константиновна, студент-магистрант, kryukova. ak@ssau. ru, Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет им. ак. С.П. Королёва,
Гвоздева Полина Сергеевна, студент, старший лаборант, gvozdeva.ps@ssau. ru, Россия, Самара, Самарский национальный исследовательский университет им. ак. С.П. Королёва
DEVELOPMENT OF A DEVICE FOR REFINING THE 676P VERTICAL MILLING MACHINE FOR THE IMPLEMENTATION OF THE FRICTION WELDING PROCESS WITH MIXING
D.V. Antipov, M.A. Mikheev, A.A. Tkachenko, G.I. Ryzhov, A.K. Kryukova, P.S. Gvozdeva
This article discusses ways to control the technological parameters of the STP, during the implementation of this process on a vertical milling machine, as well as the process of developing the design of a device that allows you to create and control the axial force on the spindle of the machine.
Key words: friction welding with mixing, technology, vertical milling machine 676P, aerospace industry, development.
Antipov Dmitry Vyacheslavovich, doctor of technical sciences, docent, head of the department, an-tipov.dv@ssau. ru, Russia, Samara, Samara National Research University named after ak. S.P. Korolev,
Mikheev Mikhail Alexandrovich, postgraduate, assistant, mikheevmisha62@gmail. com, Russia, Samara, Samara National Research University named after ak. S.P. Korolev,
Tkachenko Alexey Alexandrovich, laboratory assistant, tkachenko.aa@ssau. ru, Russia, Samara, Samara National Research University named after ak. S.P. Korolev,
George Igorevich Ryzhov, student, senior laboratory, ryzhov. gi@ssau. ru, Russia, Samara, Samara National Research University named after ak. S.P. Korolev,
Anastasia Konstantinovna Kryukova, undergraduate student, [email protected], Russia, Samara, Samara National Research University named after ak. S.P. Korolev,
Gvozdeva Polina Sergeevna, student, senior laboratory assistant, gvozdeva.ps@ssau. ru, Russia, Samara, Samara National Research University named after ak. S.P. Korolev