Учебное пособие 2170

УДК 621.941.08

Д.М. Черных ассистент, М.В. Кондратьев, ст. преп.

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМНЫХ ПАРАМЕТРОВ ОБРАБОТКИ НА ТЕМПЕРАТУРУ В ЗОНЕ РЕЗАНИЯ ПРИ ТОЧЕНИИ СТЕКЛОПЛАСТИКОВ

В статье рассматриваются проблемы механической обработки композиционных материалов, таких как стеклопластики. Сделан вывод о необходимости экспериментальных исследований для описания характера износа. Получена эмпирическая зависимость температуры в зоне резания от режимов резания. Полученные результаты могут использоваться для проектирования операций точения деталей из стеклопластика

Ключевые слова: стеклопластик, точение, температура, режимы реза-

ния

Основными факторами, снижающими обрабатываемость стеклопластика, являются анизотропия свойств материала, низкая теплопроводность и высокая твердость наполнителя. Под воздействием сил резания и образующейся в зоне резания тепловой энергии, превышающей теплостойкость, в материале происходит термодеструкция полимерного связующего.

Таким образом, для проектирования операции механической обработки стеклопластика, с максимальной производительностью, обеспечивающей требуемые параметры качества обработанной поверхности необходимо прогнозирование температуры в зоне резания.

С целью повышения производительности, прежде всего, необходимо определить вид зависимостей температуры в зоне резания Θ от режимов резания (скорости резания v, подачи S, глубины резания t) и времени τ.

Основными задачами экспериментальных исследований являются:

-изучение влияния режимных характеристик процесса точения на величину температуры в зоне резания;

-получение эмпирических зависимостей температуры от режимных характеристик процесса точения.

150

Вкачестве экспериментальных образцов для проведения исследований были выбраны трубы, изготовленные из композиционного материала КАСТ-В ГОСТ 10292-74 с косой продольнопоперечной намотки волокон.

Для токарной обработки экспериментальные исследования по определению температуры в зоне резания выполнялись на то- карно-фрезерном обрабатывающем центре. Инструментом являлся проходной резец со сменной твердосплавной пластиной. Измерение температуры производилось методом искусственной термопары.

Вкачестве датчика температуры, использовалась биметаллическая термопара. Принцип действия датчика, его конструкцию

ипредельную чувствительность определяет взаимодействие чувствительного элемента датчика с объектом. Выходной аналоговый сигнал датчика может иметь значительно отличающиеся уровни напряжений и характеризоваться разными частотными диапазонами [1]. На фотографии (рис. 1) показана термопара, интегрированная в твердосплавную пластину вблизи вершины токарного проходного резца со стороны боковой поверхности. Для измерения температуры в зоне резания была разработана информацион- но-измерительная система на базе Arduino Uno. Arduino представляет собой печатную плату с микроконтроллером, снабженную совокупностью элементов для нормальной работы (стабилизатор питания, кварцевый резонатор, цепочки сброса и т. п.). Передача данных на персональный компьютер осуществляется через виртуальный COM порт.

Рис. 1. Термопара, интегрированная в пластину токарного резца

151

Экспериментальные исследования проводились, основываясь на методики планирования эксперимента (дробно факторный эксперимент). Для определения достаточности повторяемости опытов использовался критерий Кохрена.

Варьируемыми параметрами являются:

скорость резания , м/мин;

подача S , мм/зуб;

глубина резания t , мм.

В процессе экспериментов контролировали температуру в зоне резания , 0С [2]. Матрица планирования эксперимента представлена в таблице.

Исходя из информационного поиска и серии предварительных экспериментов, был выбран следующий интервал варьирования факторов: скорости резания V=63…200 м/мин, подачи

S=0,02…0,1 мм/зуб, глубины резания t=1…3 мм. [3]

Матрица планирования экспериментальных исследований

Коэффициенты уравнения регрессии определяются по методу наименьших квадратов, поэтому необходимо отметить, что экспериментальные данные должны быть однородными и нормальнораспределенными. На рис. 2-4 представлены результаты эксперимента.

152

Рис. 2. График зависимости температуры в зоне резания от скорости резания при t=1 мм, S=0,02 мм/об

Рис. 3. График зависимости температуры в зоне резания от подачи при V=200 м/мин, t=1 мм

Рис. 4. График зависимости температуры в зоне резания от глубины резания при V=200 м/мин, S=0,02 мм/об

Математическая обработка полученных экспериментальных данных позволила получить эмпирическую зависимость температуры от режимных характеристик процесса резания. В каче-

153

стве инструментов использовался язык программирования Python c аналитическими пакетами pandas и scikit-learn.

27,95 44,86 v 519,67 S 21,39 t

Однако, для оценки качества обработанной поверхности необходимо знать распределение температурного поля по телу заготовки и инструмента. Это позволит прогнозировать появление прожогов, величину дефектного слоя, а также преждевременного выхода из строя режущего инструмента.

Локализация температурного поля в относительно тонком слое материала инструмента, находящегося в контакте со стружкой, приводит к уменьшению объема износа режущего лезвия. В этом случае максимальную защиту инструменту могут обеспечивать специальные одноили многослойные покрытия, наносимые на переднюю поверхность инструмента и выполняющие роль теплового щита. Изменение подачи оказывает большее влияние на температуру резания, по сравнению с изменением глубины резания, но в значительно меньшей степени, чем изменение скорости резания.

Полученная эмпирическая зависимость может быть использована для прогнозирования температуры при проектировании операций механической обработки.

Литература

1.Кузовкин В. А. Особенности разработки электронных средств для экспериментального исследования процессов обработки на металлорежущих станках// Вестник МГТУ«Станкин». - 2010. - №1 (9). – С. 47-57

2.Евстратова В.Ф. Планирование эксперимента и применение вычислительной техники в процессе синтеза резин \ под редакцией В.Ф. Евстратова, Л.Г. Шварца. -М.: Химия, 1970.-255 с.

3.Баранчиков В.И., Обработка специальных материалов в машиностроении: Справочник. Библиотека технолога // Баранчиков В.И., Тарапанов А.С., Харламов Г.А. – М.: Машиностроение, 2002. – 264 с., ил.

Воронежский государственный технический университет

154

УДК 621.878.62(27)

В.А. Нилов, д-р техн. наук, проф.

ИССЛЕДОВАНИЕ СКРЕПЕРНОГО АГРЕГАТА

Рассмотрены вопросы агрегатирования прицепного скрепера с колесным тягачом посредством догружающего прицепного устройства. Исследования и натурные испытания такого скреперного агрегата подтвердили целесообразность применения догружающих устройств при агрегатировании тяговых и рабочих машин

Ключевые слова: тягач, скрепер, сцепной вес

Анализ исследований российских учёных по увеличению тяговых качеств землеройно-транспортных машин [1, 2] показал высокую эффективность увеличения тяговых качеств тягача за счёт увеличения его сцепного веса Gс путём передачи части веса рабочего оборудования и грунта в ковше скрепера на тягач. Результаты испытаний [2] показали, что производительность опытного образца с увеличенным сцепным весом (прицепной скрепер ДЗ-20 с гусеничным тягачом Т-4АП2) повысилась в среднем на 32% по сравнению с серийным. По результатам исследований [2] даны рекомендации по замене гусеничного трактора Т-130 с мощностью двигателя 118 кВт, который является серийным для прицепного скрепера ДЗ-20, на трактор Т 4АП2 мощностью 96 кВт. Для колёсного тягача применение аналогичного принципа догрузки пока не исследовано и, вероятно, должно также обеспечить положительный результат.

Для изучения влияния догрузки от прицепного скрепера на тяговые качества полноприводного колёсного тягача создан натурный образец, включающий трактор Т-150К (масса 7640 кг, мощность двигателя 121 кВт) и прицепной скрепер ДЗ-111А (геометрическая вместимость ковша 4,5м3). Испытания проводились в г. Воронеже на суглинистом грунте плотностью 10…15 ударов плотномером ДорНИИ массовой влажностью 17…22%. Температура окружающего воздуха +5…15С. Проведены стандартные тензометрические исследования процесса копания грунта указанным скрепером.

155

Копание осуществлялось в реальном режиме без толкача с переменной глубиной резания грунта. Проведённые эксперименты показали, что при самонаборе грунта заполнение ковша до вместимости «с шапкой» невозможно без применения толкача вследствие недостатка силы тяги колёсных движителей трактора Т-150К.

Для увеличения силы тяги колёсных движителей трактора было смонтировано догружающее устройство (рис. 1), выполненное по авторскому свидетельству [3]. Оно позволяет увеличивать сцепной вес колёсного тягача Gс за счёт частичного вывешивания передней оси прицепного скрепера ДЗ-111А. Усилие догрузки автоматически поддерживается на заданном уровне напорным золотником. Тензометрические испытания скрепера позволили оценить величину изменения сцепного веса трактора Т-150К в зависимости от давления в гидроцилиндре догрузки.

Рис. 1. Догружающее устройство прицепного скрепера

В таблице показано изменение нагрузок на мосты тягача и переднюю ось порожнего прицепного скрепера в зависимости от давления в гидроцилиндре догрузки,

где Р – давление в гидроцилиндре догрузки, МПа;

R1 – нагрузка на передний мост трактора Т-150К, кН; R2 – нагрузка на задний мост трактора Т-150К, кН;

R3 – нагрузка на переднюю ось прицепного скрепера ДЗ111А, кН;

Gс – сцепной вес трактора Т-150К, кН.

156

Изменение сцепного веса при работе догружающего устройства (ковш скрепера без грунта)

Анализ таблицы показывает, что при полном вывешивании переднего моста порожнего скрепера Gс увеличивается на 18,4% главным образом за счёт увеличения вертикальной нагрузки на задний мост тягача R2. Полученные результаты позволили провести копание грунта с увеличенным сцепным весом тягача (Р= 9 МПа). За счёт этого улучшился процесс наполнения ковша. При самонаборе грунта оптимальная глубина резания при Р = 0 МПа составляет 50…60 мм, средний вес набранного грунта 48,1 кН, путь заполнения ковша 60…70 м, время заполнения ковша 80…90 с, максимальная сила тяги на крюке тягача 47,1 кН. При Р= 9 МПа оптимальная глубина резания составляет 60…70мм, средний вес набранного грунта 59кН, что на 22,7% выше чем без догрузки, путь заполнения ковша 55…60 м, время заполнения 70…80 с, максимальная сила тяги на крюке тягача 54,6 кН, что на 16% выше чем без догрузки. При этом существенно улучшилось вертикальное нагружение ведущих мостов тягача (R2/R1=0,894 вместо 0,516 при отсутствии догрузки).

Одновременно было установлено, что нагрузка на передний мост прицепного скрепера R3 возрастает относительно статической на 90% (без догрузки). Это свидетельствует о возможности увеличения догрузки тягача еще на 20…30%.

На рис. 2 показано заполнение ковша скрепера при догрузке тягача добавочным сцепным весом. Время заполнения ковша составляло 50..60 с, а путь набора не превышал 32..35 м.

157

Рис. 2. Заполнение ковша скрепера при работе догружающего устройства

Дополнительно были проведены экспериментальные исследования изменения давления в полостях гидроцилиндров управления ковшом скрепера в процессе копания. В ранее проведенных исследованиях самоходных скреперов [4] было установлено, что давление в штоковых полостях выглубления ковша при копании с гусеничным толкачом имеет стабильную величину 4…5 МПа. Это говорит о том, что при копании ковш имеет тенденцию к самозаглублению. Нами проводилось копание с ковшом в плавающем положении. Было установлено, что при копании с избыточной тягой (трактор Т-130) и без догрузки ковш скрепера быстро самозаглубляется и дальнейшее копание становится невозможным. Копание с запертым гидроцилиндром осуществлялось при неизменной глубине резания из приямка глубиной 95…105 мм с избыточной силой тяги (трактор Т-130). Путь набора до вместимости «с шапкой» составил 24…28 м, время заполнения ковша 40…50 с, вес набранного грунта 71…73кН, максимальная сила тяги на крюке тягача 80 кН. При этом было зафиксировано, что давление в штоковой полости гидроцилиндров подъёма ковша при таком копании плавно возрастает до 1,5…1,8 МПа. Это явление также возможно в дальнейшем использовать для увеличения сцепного веса тягача.

Литература

1.Нилов В.А. Исследование скреперного поезда. – Дис.…канд. техн. наук. Воронеж, 1975.- 187с.

2.Зинченко Н.С. Исследование рабочего процесса прицепного скрепера, увеличивающего сцепной вес гусеничного тя-

158

гача при копании грунта.– Дис. …канд. техн. наук. Омск, 1980.- 163с.

3.А.С. № 1239213 СССР, E02F 3/64. Прицепной скрепер с догружающим устройством. Авт. изобр. Нилов В.А. (и др.), 1986г.

4.Ронинсон Э.Г. Исследование реакций грунта при работе самоходного скрепера в режиме копания. – Дис.…канд. техн. наук. Москва, 1970.- 198с.

Воронежский государственный технический университет

УДК 621.793.74: 519.873 С.Ю. Жачкин, д-р техн. наук, проф., Г.И. Трифонов,

соискатель, А.С. Богачёв, магистрант

МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА КАЧЕСТВО ПЛАЗМЕННЫХ

ПОКРЫТИЙ ДЕТАЛЕЙ МАШИН

В работе проводится исследование факторов, влияющих на качество плазменных покрытий. Также описываются разработанные математические модели, предназначенные для оптимизации расчетов кинематических режимов плазменного напыления.

Ключевые слова: плазменное напыление, кинематические режимы, скорость частиц, температура, сферическая поверхность, износ.

Введение

Практика эксплуатации машин и оборудования подтверждает, что наиболее распространенной причиной их выхода из строя в 80% случаях является не поломка, а износ и повреждение рабочих поверхностей.

После сравнительного анализа по экономическим и функциональным аспектам вопроса по повышению износостойкости деталей, а также выдвигаемым технологических и конструкционным требованиям машиностроительных производств был сделан вывод, что на сегодняшний день перспективным направлением по созданию надежных, долговечных и износостойких покрытий является плазменное напыление [1, 8].

159