Технология повышения качества рабочей поверхности коллекторов машин постоянного тока при ее механической обработке

ультразвуковым воздействием / Кобзев Д. Е. [и др.] // Материаловедение. — 2012. — № 4. — С. 37—40.

5. Еремин, Е. Н. Структурная модификация дисперсно-наполненного политетрафторэтилена ультразвуковым воздействием при синтезе композиционного материала / Е. Н. Еремин, Д. А. Негров // Физическая мезомеханика. — 2013. — Т. 16, № 5. - С. 95-101.

6. Машков, Ю. К. Влияние энергии ультразвуковых колебаний на структуру и свойства полимерных композиционных материалов / Ю. К. Машков, Е. Н. Еремин, Д. А. Негров // Материаловедение. - 2013. - № 3. - С. 42-45.

7. Негров, Д. А. Исследование влияния ультразвуковых колебаний на структуру и механические свойства полимерного композиционного материала / Д. А. Негров, Е. Н. Еремин // Омский научный вестник. — 2011. — № 2 (100). — С. 17-20.

8. Негров, Д. А. Разработка ультразвукового инструмента для изготовления изделий из полимерных композиционных материалов / Д. А. Негров, Е. Н. Еремин // Технология машиностроения. — 2012. — № 5. — С. 44 — 47.

9. Шаталова, И .Г. Физико-химические основы вибрацион-

ного уплотнения порошковых материалов / И. Г. Шаталова, П. С. Горбунов, В. И. Лихтман. — М. : Наука, 1966. — 98 с.

НЕГРОВ Дмитрий Анатольевич, кандидат технических наук, доцент (Россия), доцент кафедры «Машиностроение и материаловедение».

ЕРЕМИН Евгений Николаевич, доктор технических наук, профессор (Россия), заведующий кафедрой «Машиностроение и материаловедение», декан машиностроительного института.

ПУТИНЦЕВ Виталий Юрьевич, студент группы МТМ-212.

ПЕРЕДЕЛЬСКАЯ Ольга Андреевна, студентка группы МТМ-212.

МАТАЛАСОВА Арина Евгеньевна, студентка группы С-113.

Адрес для переписки: neqrov_d_a@mail.ru

Статья поступила в редакцию 15.01.2014 г.

© Д. А. Негров, Е. Н. Еремин, В. Ю. Путинцев,

О. А. Передельская, А. Е. Маталасова

УДК 621313 С. В. ПЕТРОЧЕНКО

А. А. ФЁДОРОВ

Омский государственный университет путей сообщения

Омский государственный технический университет

ТЕХНОЛОГИЯ ПОВЫШЕНИЯ КАЧЕСТВА РАБОЧЕЙ ПОВЕРХНОСТИ КОЛЛЕКТОРОВ МАШИН ПОСТОЯННОГО ТОКА ПРИ ЕЕ МЕХАНИЧЕСКОЙ ОБРАБОТКЕ

В статье представлена технология повышения качества рабочей поверхности коллекторов машин постоянного тока при ее механической обработке, включающая в себя операции по обточке коллектора и поверхностное упрочнение коллекторных пластин методом ударно-акустической обработки. Рассмотрено применение технологии при ремонте коллектора машины постоянного тока модели 2ПН100.

Ключевые слова: электрическая машина постоянного тока, коллектор, ударноакустическая обработка.

В существующей технологии механической обработки коллекторных пластин машин постоянного тока (МПТ), изготовленных из холоднотянутой меди, для достижения шероховатости Яа = 0,63 мкм применяется обтачивание токарным резцом с режущей частью из ВК8 и шлифование абразивными полотнами Р320; Р400 или брусками марки Р16, Р17Б [1].

В настоящее время обточка рабочей поверхности коллектора на установленных режимах резания инструментом из ВК8, с необоснованными значениями геометрических параметров режущей части инструмента, приводит к образованию заусенцев на кромках коллекторных пластин, снижающих коммутацию МПТ. Операция, связанная с зачисткой за-

усенцев, является весьма трудоемкой и реализуется исключительно вручную.

Наряду с обточкой процесс шлифования имеет ряд существенных недостатков, снижающих качество изготовления и ремонта МПТ, таких как:

— зерна абразивного инструмента шаржируют материал поверхностного слоя коллектора, что приводит к повышению интенсивности механического и элек-троэрозионного изнашивания коллектора и щеток [ 1];

— шлифование абразивным полотном приводит к возникновению завалов на краях пластин глубиной до 0,2 — 0,5 мм, уменьшающих площадь контакта коллектор — щетка и, как следствие, — ухудшение коммутации МПТ;

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014

Рис. 2. Типовая технология механической обработки коллекторов МПТ

Рис. 1. Типовой технологический процесс изготовления коллекторов МПТ

— шлифовальные полотна и полировальные бруски быстро «засаливаются».

С учетом всех перечисленных недостатков и результатов, ранее проведенных исследований [2, 3], авторами статьи предлагается комплексная технология повышения качества рабочей поверхности коллекторов МПТ при ее механической обработке.

Предлагаемая технология повышения качества рабочей поверхности коллекторов МПТ при ее механической обработке является частью технологического процесса изготовления или ремонта коллекторов электрических машин.

Типовой технологический процесс изготовления коллекторов представлен на рис. 1. Типовая технология механической обработки коллекторов МПТ представлена на рис. 2. Разработанная технология представлена на рис. 3 и включает в себя следующие операции:

— предварительная упрочняющая обработка рабочей поверхности коллектора методом обкатки роликом с целью исключения возникновения заусенцев на кромках коллекторных пластин;

Рис. 3. Технология механической обработки коллектора МПТ с повышением качества рабочей поверхности

— обточка рабочей поверхности коллектора режущим инструментом из синтетического алмаза с целью удаления следов износа (при ремонте коллектора), снижения шероховатости поверхности перед окончательной обработкой;

— окончательная обработка рабочей поверхности коллектора методом ударно-акустической обработки (УАО) с внедрением графита с целью достижения шероховатости поверхности Яа<0,25 мкм, повышения износостойкости коллектора, создания окисной пленки до начала эксплуатации МПТ.

Для реализации технологии обработки коллектора необходимы следующие исходные данные:

— размеры обрабатываемой поверхности (диаметр, длина, мм);

— исходная твердость рабочей поверхности коллектора (НУ, МПа);

— предел текучести обрабатываемого материала (от, МПа);

— максимальная шероховатость рабочей поверхности коллектора после окончательной механической обработки (Яа, мкм);

— коэффициенты перекрытия Кп и Кпп для проведения окончательной обработки методом УАО.

Выбор оборудования обеспечивается согласно габаритам обрабатываемой детали и рассчитанным режимам обработки.

Материал режущей части инструмента, согласно проведенным исследованиям, — синтетический алмаз марки АС2. Геометрия режущего инструмента, а именно, радиус при вершине, передний угол рассчитываются согласно ранее полученным математическим моделям. Режимы обточки и окончательной обработки также определяются исходя из ранее полученных математических моделей [2].

Разработанная технология использована при ремонте МПТ 2 ПН100.

Данная МПТ предназначена для работы в широко регулируемых автоматизированных электроприводах постоянного тока.

Область применения: в станкостроении — в механизмах подачи и главного движения, в том числе в станках с ЧПУ, роботах и других механизмах различных отраслей промышленности.

Исходные данные для обработки коллектора:

— размеры обрабатываемой поверхности: диаметр 85 мм, длина 35 мм;

— исходная твердость рабочей поверхности коллектора: НУ=800 — 810 МПа;

— предел текучести обрабатываемого материала: от=175 МПа [4];

— максимальная шероховатость рабочей поверхности коллектора после окончательной механической обработки: Яа = 0,25 мкм;

— коэффициенты перекрытия для проведения УАО: К =0,849, Кп =0,976.

п ' ' п '

Главным критерием, определяющим значения скорости резания, величины переднего угла инструмента и твердости поверхностного слоя коллекторных пластин, был выбран размер заусенца, возникающего по кромке коллекторных пластин при обточке. Для минимизации размера заусенца, согласно полученным зависимостям (1) — (4), определены следующие оптимальные условия обработки: скорость резания У = 350 — 400 м/мин; передний угол инструмента у = 0 — 20°; твердость поверхности НУ= 95- 100 МПа.10-1.

у = 0,26х1 + 0,08х2 + 0,15х3 + 0,04х1х2 -

- 0,54х1х3 + 0,06х2х3,

У = 200 + 460х1,

у = 0 + 35 х2,

НУ = 85 + 24х 3,

где у — размер заусенца, возникающего по кромке коллекторной пластины при обточке, мм; х1, х2, х3 — кодированное значение факторов: скорость резания, величина переднего угла инструмента, твердость поверхностного слоя соответственно;

У — скорость резания, мм/мин; у — передний угол инструмента, град;

НУ — твердость поверхности, МПа.10-1.

Для достижения твердости НУ= 95-100 МПа . 10-1 перед обточкой, согласно работе [5], определены следующие режимы для обкатки коллектора роликом:

— сила прижатия ролика к коллектору Р = 200 Н;

— подача накатника в = 0,09 мм/об;

— скорость накатки У =26,7 м/мин;

— частота вращения шпинделя п=100 об/мин. Радиус кривизны поверхности качения ролика

Я = 6,25 мм.

Для получения параметра шероховатости Яа<0,63 мкм, согласно зависимостям (5)-(7), определены: величина подачи в = 0,082 мм/об, радиус при вершине инструмента г= 1,16 мм.

у = 0,518 - 2,5х, + 2,772х2 +1,049х{ + + 2,243х22 - 3,79х1х2 ,

г = 0,06 + 0,4х1,

в = 0,05 + 0,02х2 ,

где у — параметр шероховатости Яа, мкм; х1, х2 — кодированные значения факторов — радиус при вершине и величина подачи режущего инструмента соответственно;

г — радиус при вершине режущего инструмента, мм; в — величина подачи режущего инструмента, мм/ об.

Для обеспечения рассчитанных режимов обточки и предварительной упрочняющей обработки выбран токарно-винторезный станок модели 8У18ЯЛ.

Предварительная упрочняющая обработка: частота вращения п =100 об/мин; подача накатника в = 0,09 мм/об; сила прижатия ролика к коллектору Р = 200 Н.

Обточка коллектора: частота вращения п= = 1400 об/мин, подача режущего инструмента в = = 0,08 мм/об; глубина резания ^ = 0,5 мм. Геометрия режущего инструмента: а =12°, у = 0°, 1 = 2°, ф = ф1 = = 45°, г= 1,16 мм.

Средний размер заусенца после обработки составил 0,07 мм, шероховатость Яа = 0,6 мкм.

Режим обработки методом УАО определялся согласно формулам (8) — (12) [6].

Расчетная подача инструмента определялась:

где Я1 — радиус индентора, мм;

К — глубина внедрения индентора в поверхность заготовки, мм;

К8п — коэффициент перекрытия в направлении подачи, показывающий какая часть площадки контакта в направлении подачи перекрывается соседней. Частота вращения якоря определялась:

60/ - атссо8| 1

Я<Л

Я2

расч

где / — частота магнитострикционного преобразователя, Гц;

Я2 — радиус обрабатываемой поверхности детали, мм;

Кпп — коэффициент перекрытия в окружном направлении.

Статическая сила прижима при обработке коллектора:

Рст = 1,33Л-стт-д/ЯЯ^ - (2 - Кп) -V1 - 4(1 - Кп )2 ,

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ

115

МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014

Рис. 4. Коллектор МПТ 2ПН100 после УАО с внедрением графита: 1 — обработанный участок; 2 — необработанный участок

Рис. 5. Безыскровые зоны работы МПТ 2ПН100:

1 — коллектор с наработанной политурой; 2 — коллектор после УАО

Коэффициенты перекрытия: К^ = 0,849, КЛп = = 0,976.

Расчетная подача при Я{ = 3 мм; Л = 0,006 мм; К5 =0,849:

п '

врасч = 2 • V2 • 3 • 0,006 • [1 - 0,849] = 0,059 мм/об.

С учетом паспорта станка 8У18ЯЛ фактическая подача составит вф = 0,06 мм/об.

Частота вращения при /= 17800 Гц; Л2 = 42,5 мм; Кп =0,976.

60/ • агссо8| 1

3 • 0,006

1расч

3,14

42,5(3 + 42,5)0 •[! - 0976] =

= 36,1 об/мин.

С учетом паспорта станка 8У18ЯЛ фактическая частота вращения Пф = 35,5 об/мин.

Фактические коэффициенты перекрытия:

кпф = 1-

расч

кпф = 1 --

пф •'

Я, Л

Я2

60/ • агссо8| 1

К ф = 0,841, К ф = 0,979.

пф пф

Фактическая статическая сила прижима: Рст = 1,33 • 0,006 • 175 • V3 • 42,5 •

^1 - 4 • (1 - 0.841)2 = 17,3 Н.

1

Таким образом, режимы для проведения УАО коллектора МПТ 2 ПН100:

— статическая сила прижатия ультразвукового инструмента к коллектору Р = 17,3 Н;

— подача инструмента в = 0,06 мм/об;

— скорость обработки ^=9,25 м/мин;

— частота вращения шпинделя п = 35,5 об/мин.

Результат УАО коллектора с внедрением графита

в виде суспензии, приготовленной из одной части чешуйчатого серебристого графита № 6 и пяти частей керосина, представлен на рис. 4.

Для качественной оценки предлагаемой технологии повышения качества рабочей поверхности коллекторов МПТ при ее механической обработке были проведены коммутационные испытания МПТ 2ПН100 по методу безыскровой зоны, предложенному В. И. Касьяновым [7]. Эксперимент был выполнен при различных значениях тока якоря 1я = = 0— 17,5 А; отмечались значения токов отпитки I

' ' о

и подпитки 1п, по результатам коммутационных испытаний были построены кривые зон безыскровой работы МПТ с наработанной политурой и оксидной пленкой после УАО с внедрением графита (рис. 5).

Анализируя безыскровые зоны работы электрической машины, полученные с наработанной при номинальной нагрузке «политурой» и с оксидной пленкой, полученной после УАО с внедрением графита, можно сделать вывод об увеличении безыскровой зоны на 18 — 20 % по сравнению с безыскровой зоной с наработанной «политурой», что свидетельствует о более устойчивой в отношении коммутации работе МПТ с оксидной пленкой, полученной в результате модифицирования поверхностного слоя коллектора методом УАО. Это существенно снижает электроэрозионную составляющую изнашивания коллекторных пластин на 18 — 20 %.

Выводы: анализ существующего технологического процесса ремонта коллекторов МПТ выявил существенные недостатки, присущие существующей технологии ремонта. В связи с этим была предложена технология повышения качества рабочей поверхности коллекторов МПТ при ее механической обработке. Применение данной технологии позволило повысить коммутационную устойчивость МПТ 2ПН100 на 18 — 20 % за счет снижения размера заусенца, возникающего на кромке коллекторной пластины, при обточке коллектора; поверхностного упрочнения и образования защитной оксидной

пленки на рабочей поверхности коллектора, реализованных методом УАО с внедрением графита.

Библиографический список

1. Красковская, С. Н. Текущий ремонт и техническое обслуживание электровозов постоянного тока / С. Н. Красковская, Э. Э. Ридель, Р. Г. Черепашенец. — М. : Транспорт, 1989. - 408 с.

2. Петроченко, С. В. Совершенствование технологии обточки рабочей поверхности коллекторов тяговых электродвигателей / С. В. Петроченко // Транспорт Урала. — 2010. — № 2. — С. 53 — 55.

3. Петроченко, С. В. Поверхностное упрочнение рабочей поверхности коллекторов электрических машин постоянного тока методом ударно-акустической обработки / С. В. Петро-ченко, А. А. Фёдоров // Известия Транссиба. — 2011. — № 3 (7). — С. 29 — 33.

4. Смирягин, А. П. Промышленные цветные металлы и сплавы / А. П. Смирягин. — М. : Металлургиздат, 1956. — 555 с.

5. Солдаткин, А. В. Влияние поверхностной пластической обработки на медные пластины коллекторов тяговых электродвигателей локомотивов при их ремонте / А. В. Солдаткин // Актуальные проблемы развития железнодорожного транспорта и роль молодых ученых в их решении : тр. второй Междунар. отраслевой науч.-техн. конф., ноябрь 2000 г. / Ростовский гос. университет путей сообщения. — Ростов-на-Дону, 2000. — С. 73 — 75.

6. Петроченко, С. В. Ударно-акустическая обработка коллекторов электрических машин постоянного тока / С. В. Петроченко, А. А. Фёдоров // Омский научный вестник. — 2011. — № 3 (103). — С. 134 — 137.

7. Гемке, Р. Г. Неисправности электрических машин / Р. Г. Гемке. — Л. Энергоатомиздат, 1989. — 336 с.

ПЕТРОЧЕНКО Сергей Валерьевич, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Технология транспортного машиностроения и ремонта подвижного состава» Омского государственного университета путей сообщения.

ФЁДОРОВ Алексей Аркадьевич, кандидат технических наук, старший преподаватель кафедры «Технология машиностроения» Омского государственного технического университета.

Адрес для переписки: c.o.r.d.84@mail.ru

Статья поступила в редакцию 29.10.2013 г.

© С. В. Петроченко, А. А. Фёдоров

Книжная полка

Мальцев, В. Г. Развитие теории точности формообразования резанием наружных цилиндрических поверхностей : моногр. / В. Г. Мальцев, А. П. Моргунов, Н. С. Морозова ; ОмГТУ. - Омск : Изд-во ОмГТУ, 2013. - 191 с. - ISBN 978-5-8149-1664-8.

Рассмотрены вопросы, связанные с развитием теории точности формообразования резанием наружных цилиндрических поверхностей. Дана оценка современного состояния данной теории, построенной на основе допущения о не влиянии упругих отжимов резца и заготовки на силу резания. Показана ограниченность возможностей математических моделей, вытекающих из этой теории. Предложены пути развития теории точности на основе применения более общих математических моделей, визуализации механизма образования погрешности обработки, теоретического обоснования и решения прямой задачи настройки технологической системы на размер, углубленного изучения закономерностей методов обработки, связанных с формообразованием цилиндрических поверхностей. Предназначена для инженерно-технических и научных работников машиностроительных предприятий, вузов, научных организаций. Может быть полезна студентам, магистрантам и аспирантам вузов.

ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК № 1 (127) 2014 МАШИНОСТРОЕНИЕ И МАШИНОВЕДЕНИЕ