О разработке установки с численным программным управлением для зачистки криволинейных поверхностей

УДК 621.787.6

О РАЗРАБОТКЕ УСТАНОВКИ С ЧИСЛЕННЫМ ПРОГРАММНЫМ УПРАВЛЕНИЕМ ДЛЯ ЗАЧИСТКИ КРИВОЛИНЕЙНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

1 9

М.А.Бондаренко1, А.П.Чапышев2

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Рассмотрен процесс абразивной зачистки крупногабаритных деталей типа панелей после обработки дробью. Сформулированы требования к оборудованию для зачистки криволинейных деталей с ЧПУ. Описана предлагаемая схема управления технологическим процессом зачистки. Представлен алгоритм коррекции углового положения зачистной головки в зависимости от кривизны поверхности и ширины полосы обработки. Ил. 6. Библиогр. 3 назв.

Ключевые слова: абразивная зачистка; панели; обшивки; лепестковые шлифовальные круги; зачистная головка; частота вращения; осадка; рабочий ход; датчики положения; режим; управление.

ON THE DEVELOPMENT OF A PLANT WITH NUMERICAL PROGRAM CONTROL FOR CURVILINEAR SURFACES GRINDING

M.A. Bondarenko, A.P. Chapyshev

National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074

The article examines the process of abrasive grinding of large parts such as panels after ballizing. The authors formulate the requirements for the equipment with numerical program control for curvilinear parts grinding. They describe a proposed control scheme of the technological process of grinding. An algorithm to correct the angular position of the grinding head due to surface curvature and treatment strip width is presented. 6 figures. 3 sources.

Key words: abrasive grinding; panels; trimmings; flap wheels; grinding head; rotation speed; upsetting; working stroke (travel); position sensors; regime; control.

Абразивная зачистка как операция в комплексном технологическом процессе изготовления крупногабаритных деталей из алюминиевых сплавов типа панелей или обшивок предусмотрена после операции дробеударного формообразования (ДУФ) [1]. Операция выполняется на поверхностях, обработанных дробью, с целью улучшения показателей поверхностной геометрии (рис. 1).

Из рис. 1 видно, что параметры процессов ДУФ и зачистки взаимосвязаны. Чем больше скорость дробинок, тем больше глубина h отпечатков дроби на поверхности детали и больше припуск а, удаляемый при зачистке, т.е. величина припуска является функцией скорости и диаметра дроби.

Обрабатываемые детали (панели, обшивки из алюминиевых сплавов) характеризуются значительными габаритными размерами (до 30 м в длину и 3 м в

ширину) при малой толщине (от 1,0 мм). Их пространственная форма представляет совокупность поверхностей переменной одинарной, двойной и знакопеременной кривизны. Традиционный метод зачистки таких деталей основан на применении абразивных лепестковых кругов [2].

Лепестковые абразивные круги по сравнению с другими абразивными инструментами имеют ряд преимуществ:

- способность самопрофилироваться в процессе работы и сохранять принятый профиль обрабатываемой поверхности в течение всего периода работы;

- повышенная износостойкость, обеспечивающая при высокой производительности хорошее качество обработанной поверхности ^ = 0,16-0,04 мкм);

- отсутствие необходимости в правке, так как в процессе работы лепестковые круги не засаливаются;

а б

Рис. 1. Поверхность детали до зачистки

1-

Бондаренко Марина Александровна, младший научный сотрудник, тел.: 89834071597, e-mail: Falochka2008@yandex.ru Bondarenko Marina, Junior Research Assistant, tel.: 89834071597, e-mail: Falochka2008@yandex.ru

2Чапышев Александр Петрович, доцент кафедры оборудования и автоматизации машиностроения, тел.: 89148887106, e-mail: Chapsh@mail.ru

Chapyshev Alexander, Associate Professor of the Department of Machinery and Automation of Mechanical Engineering, tel.: 89148887106, e-mail: Chapsh@mail.ru

- простота кинематической схемы автоматической установки, реализующей процесс зачистки;

- выгодный тепловой режим процесса, который предполагает при достаточно высокой производительности малые контактные температуры обрабатываемой поверхности вследствие вентиляционного эффекта, создаваемого лепестками;

- удобство в эксплуатации, транспортировке, хранении.

Сущность процесса обработки лепестковыми абразивными кругами заключается в снятии с обрабатываемой поверхности детали тонкого слоя а металла кругом, поджатым к поверхности детали с определенным усилием. В результате действия радиальных и центробежных сил лепестки деформируются, уплотняются, при этом увеличивается площадь контактной поверхности круга с деталью.

В процессе обработки лепестковый круг своим режущим профилем под действием сил, возникающих в результате его сближения с обрабатываемой поверхностью, производит съем материала и формирование поверхностного слоя по шероховатости, остаточным напряжениям, наклепу и другим показателям.

Параметры зачистки участка поверхности, обработанного дробью (частота вращения кругов, осадка кругов, скорость подачи, количество рабочих ходов), определяются опытным путём. Основным критерием при выборе параметров процесса зачистки является максимальный съём материала с поверхности в единицу времени с ограничением по температурному режиму - при обработке термически упрочненных алюминиевых сплавов температура не должна превышать 100оС. В зависимости от состояния поверхности детали, подлежащей обработке варьируемым параметром, в большинстве случаев основным параметром является скорость подачи.

а)

Сформулируем основные задачи, которые необходимо решить при создании зачистного рабочего органа, применяемого в составе установки для реализации процесса ДУФ-зачистка:

- обеспечение возможности обработки поверхностей одинарной, двойной, знакопеременной кривизны (выпуклых и вогнутых);

- обеспечение удаления с поверхности детали равномерного припуска глубиной 0,01-0,05 мм;

- обработка поверхности детали должна производиться полосами (аналогично полосам обработки дробемётного аппарата);

- предотвращение возникновения автоколебаний конструкции в процессе обработки;

- обеспечение возможности быстрой смены инструмента;

- управление зачистной головкой должно осуществляться системой ЧПУ, организованной по двух-канальному принципу (первым каналом управляются перемещения относительно заготовки, координатами второго канала являются частота основного вращения и перемещение, обеспечивающее осадку лепестковых кругов в процессе обработки) [3].

Для варьирования шириной обрабатываемой при зачистке полосы конструкция зачистной головки должна предусматривать возможность установки нескольких лепестковых кругов, одновременно участвующих в работе. Однако при обработке широкой полосой неизбежно возникнет неравномерность осадки лепестковых кругов, имеющих прямолинейную образующую (рис. 2, а), и как следствие - неравномерность съёма металла и износа кругов.

В случае, когда ширина полос обработки невелика, положение кругов остаётся неизменным (рис. 2, б,в). При увеличении ширины полос обработки для поддержания равномерного съёма металла лепестко-

У-

г)

1 1 1

! 1 1

11— J

В

Z

Рис. 2. Неравномерность осадки кругов при обработке криволинейной поверхности

вым кругам должно сообщаться движение обката, состоящее из одновременных перемещений по координатам 1 и В (рис. 2, г).

Таким образом, с учётом особенностей обрабатываемых деталей и специфики используемых лепестковых кругов при управлении процессом лепестковой зачистки должны быть решены следующие задачи:

- обеспечение согласованного, бесперебойного линейного перемещения обрабатывающего инструмента по полосам обработки дробеметного аппарата с назначением режимов зачистки в зависимости от параметров процесса ДУФ;

- обеспечение возможности наклона оси вращения лепестковых кругов в зависимости от ширины полосы обработки и кривизны детали обрабатываемой поверхности;

- контроль ориентации лепестковых кругов по отношению к теоретическому контуру обрабатываемой детали;

- обеспечение необходимого диапазона регулирования подач и частоты вращения кругов;

- возможность подключения и программирования дополнительных датчиков процесса.

Так как поверхность обрабатываемой детали имеет сложную геометрию при наличии значительных по сравнению с толщиной удаляемого слоя допусков на отклонения от заданной формы, управление процессом зачистки по заданной координатной траектории не сможет обеспечить требуемую точность при удалении припуска. Управлять процессом зачистки можно с помощью поддержания заданной величины прижима

лепестковых кругов к поверхности детали (осадки кругов), обеспечивая постоянный момент резания.

При неизменном положении кругов в процессе обработки управление их осадкой можно осуществлять путём организации обратной связи по току якоря двигателя, который пропорционален моменту нагрузки на круг при резании и может быть использован в качестве управляющего сигнала при автоматическом регулировании осадки кругов (координата 1). При обработке широкими полосами необходимо дополнительно организовывать регулирование углового положения оси шпиндельной оправки, на которой установлены круги. Одним из вариантов решения данной задачи может быть организация дополнительной обратной связи в алгоритме управления. Данные связи реализуются посредством использования датчиков контроля положения кругов относительно обрабатываемой поверхности.

Процесс управления работой зачистной головки должен включать в себя контроль значений переменной координаты г (рис. 3) с целью обеспечения ее минимально возможного разброса для данной геометрии участка. Выполнение указанного условия позволяет обеспечить постоянство осадки всех лепестковых кругов, одновременно участвующих в работе, вне зависимости от величины отклонений формы детали от требуемой.

Для организации обратной связи управления угловым положением оси кругов с целью их оптимальной ориентации относительно обрабатываемой поверхности, а также для проверки наличия кругов на

Рис. 3. Схема измерения при определении положения кругов относительно поверхности

обрабатываемой детали

шпиндельной оправке предлагается использовать бесконтактные дискретные ультразвуковые датчики измерения расстояния (рис. 4).

Рис. 4. Датчик фирмы Siemens типа Sonar-BERO 3RG6433 с частотным выходом с преобразователем сигнала

Датчики могут быть установлены на пылевом металлическом кожухе лепестковых кругов. Порог срабатывания каждого из датчиков необходимо предварительно настроить на определенную величину расстояния до обрабатываемой поверхности, которая соответствует оптимальной осадке круга.

Измерительный датчик излучает ультразвуковую волну под углом 10° (рис. 5). Чтобы результаты измерения датчиками расстояния до поверхности детали не были искажены, важной задачей является правильное размещение датчиков по отношению к объекту измерения.

Кроме измерения расстояния датчики могут быть использованы для определения количества установленных на оправке лепестковых кругов и распознавания критических ситуаций (например, выход кругов за край обрабатываемой поверхности детали и.т.д.).

При диаметре шпиндельной оправки, равном d , при известном конструктивном параметре Н величина m смещения оси расположения датчиков относительно оси вращения лепестковых кругов 3 должна удовлетворять условию

т = п tgа + d/2, где а=5°.

В качестве примера рассмотрим режимы работы датчиков для случая использования двух лепестковых кругов 1 и 2. В этом случае для датчиков Д0 - Д5 возможны следующие режимы работы:

1) Режим измерения расстояния до обрабатываемой поверхности. Здесь работают крайние по отношению к установленному на шпиндельной оправке набору лепестковых кругов датчики Д0 и Д3 (см. рис. 5). Работа датчика в данном режиме возможна только в случае, если круг 3 снят с оправки и излучение датчиков Д0 и Д3 свободно достигает обрабатываемой поверхности.

2) Режим определения наличия и измерения износа круга. В данном случае показания датчиков Д1 - Д4 характеризуют расстояние до поверхности лепесткового круга, установленного на шпиндельной оправке (на рис. 5 - датчики Д1 и Д2). Этим определяется не только наличие лепесткового круга на оправке, но и момент его критического износа.

3) Дежурный режим предполагает отсутствие участия датчика в обратной связи ориентации оси вращения лепестковых кругов (в рассматриваемом примере - датчики Д4 и Д5). В данном режиме датчик может быть отключён системой цикловой автоматики (контроллер не производит его опроса), либо опрос осуществляется только на предмет превышения критических значений расстояний до обрабатываемой поверхности.

\ \ ^ \ ^Г

х \ ^ \ \

д0

круг 1 1=1 д1

круг 2 :  д2

круг 3 ! ш д3

круг 4 \ ш д4

I ш д5

Рис. 5. Схема расположения измерительных датчиков относительно зачистной головки и режимы работы датчиков в зависимости от количества лепестковых кругов и их расположения на оправке: 1 - датчики; 2 -пылевой кожух; 3 - лепестковый круг; 4 - шпиндельная оправка; 5 - поверхность детали

Блок-схема автоматизированного процесса коррекции углового положения представлена на рис. 6.

Каждый рабочий ход начинается с позиционирования в точку начала хода в плоскости обрабатываемой детали. Одновременно привод координаты поворота B (см. рис. 3) устанавливает ее нулевое значение (В = 0°). После того как точка начала хода в плоскости XY достигнута, включается привод движения кругов по направлению к заготовке. Состояние смежных датчиков контролируется через предварительно установленную величину перемещения (например, г* = 0,1 мм). Если участок детали характеризуется некоторой кривизной, по достижении установленного значения г сработает один из датчиков. После этого приводы осей X и 1 начинают осуществлять круговую интерполяцию, центром которой является точка середины периферии круга, для которого произошло срабатывание. Привод оси наклона базовой консоли В осуществляет движение одновременно с осями X и 1 согласно условию

комплексе с разработкой конструкции зачистного устройства позволит:

- повысить производительность зачистной обработки поверхностей крупногабаритных листовых деталей в автоматическом режиме;

- повысить стабильность технологического процесса за счёт снятия с поверхности последней регламентированной величины припуска;

- снизить объем зачистных работ поверхности детали, выполняемых вручную или с использованием ручного механизированного инструмента;

- выполнять гибкую настройку процесса с учетом результата предшествующей операции ДУФ и конструктивных особенностей деталей;

- за счёт предложенного принципа управления угловым положением оси вращения лепестковых кругов уменьшить физический объем управляющих программ, сократить трудоёмкость вычислений при их генерации.

_нет | _

I Останов шпинделя (вращения кругов) |

(^КОНЕЦ ПРОГРАММЫ^) Рис. 6. Типовая блок-схема процесса коррекции углового положения шпиндельной оправки

У - + И2

к + И .

Интерполяция осей X и I, а также работа привода наклона В осуществляется до момента соблюдения условия

го=г5=г*.

При выполнении условия (2) привод оси У включает рабочую подачу. В процессе движения условие (2) контролируется через каждые 50 мм, в случае его нарушения выполняется коррекция углового положения кругов. При этом движение оси У продолжается до окончания рабочего хода. По окончании рабочего хода производится отвод кругов от детали, перемещение на следующую позицию, после чего цикл обработки повторяется.

Предложенный метод управления процессом в

Предлагаемый вариант зачистной головки, основанный на использовании как одного, так и нескольких абразивных лепестковых кругов, и способы управления и контроля технологического процесса зачистки, предложенные в работе, дают возможность внедрения в производство нового универсального устройства с улучшенными характеристиками.

Представленная в рамках данной статьи работа проводится при финансовой поддержке Правительства Российской Федерации (Минобрнауки России) в рамках комплексного проекта «Разработка и внедрение комплекса высокоэффективных технологий проектирования, конструкторско-технологи-ческой подготовки и изготовления самолета МС-21», шифр 2010-218-02-312.

Библиографический список

1. О создании отраслевой технологии дробеударного формообразования панелей / А.А.Вепрев [и др.] // Авиационная промышленность. 2009. №2. С. 24-29.

2. Димов Ю.В. Обработка деталей эластичным инструментом. Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2007. 353 с.

3. Чапышев А.П. Повышение эффективности технологического сочетания «дробеударное формообразование - зачистка при изготовлении крупногабаритных листовых деталей»: автореф. ... канд. техн. наук. Иркутск, 2004. 16 с.

УДК 621.914.1

МЕХАНИЗМ ПЕРЕРАСПРЕДЕЛЕНИЯ ТЕРМИЧЕСКИХ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ С.И.Ботвенко1

Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Рассмотрена математическая модель перераспределения остаточных напряжений в призматической заготовке при удалении припуска после закалки. В качестве исходной принята эпюра остаточных напряжений, аппроксимированная параболой. Ил.1. Библиогр. 4 назв.

Ключевые слова: остаточные напряжения; заготовка; снятие припуска; деформации.

REDISTRIBUTION MECHANISM OF THERMAL RESIDUAL STRESSES S.I. Botvenko

National Research Irkutsk State Technical University, 83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.

A mathematical model of residual stresses redistribution in a prismatic work piece when removing the allowance after tempering is examined. The residual stress diagram approximated by a parabola is adopted as an initial one. 1 figure. 4 sources.

Key words: residual stresses; work piece; allowance removal; deformations.

Остаточные напряжения в заготовке, полученные на завершающих операциях термоупрочнения (закалки), оказывают наибольшее влияние на остаточные деформации детали. Описанию, изучению и исследованию этой взаимосвязи посвящен ряд работ. С известным упрощением образование остаточных деформаций при механической обработке, в связи с перераспределением остаточных напряжений от предшествующего процесса, можно объяснить следующим образом: срезаемый слой металла уносит свою долю напряжений и нарушает равновесие исходных остаточных напряжений. Статическое равновесие восстанавливается в результате перераспределения остаточных напряжений после устранения внешних сил, что сопровождается растяжением (сжатием) детали и ее изгибом [1,2].

В [3] приводится математическая интерпретация механизма перераспределения термических остаточ-

ных напряжений в заготовке после снятия припуска в виртуальном приложении. При достаточно строгом и корректном математическом аппарате определения осевой силы и возникающих от нее напряжений растяжения - сжатия и изгиба, эти напряжения и располагаются в уже удаленном припуске, который не может влиять на напряженное состояние оставшейся части пластины. Об этом же говорит и то, что точка приложения осевой силы при определении указанных напряжений виртуальна. Указанная точка располагается в удаленном припуске, т.е. по отношению к оставшейся части пластины, где собственно и рассматривается механизм перераспределения остаточных напряжений, в пространстве. Как нам кажется, реальный механизм перераспределения остаточных напряжений в закаленной пластине (заготовке) после удаления припуска носит несколько иной характер.

Рассмотрим пластину с размерами НхВхЦ где Н -

1-

Ботвенко Сергей Иванович, кандидат технических наук, доцент кафедры конструирования и стандартизации в машиностроении, тел.: (3952) 368563, 89025610151, e-mail: bsll110@yandex.ru

Botvenko Sergey, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Design and Standardization in Mechanical Engineering, tel.: (3952) 368563, 89025610151, e-mail: bsll110@yandex.ru