Техническая реализация электротоковой интенсификации процесса резания

ТЕХНОЛОГИИ И ОБОРУДОВАНИЕ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ

УДК 621.91.01

ТЕХНИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ ЭЛЕКТРОТОКОВОЙ ИНТЕНСИФИКАЦИИ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ

Г.В. Шадский, O.A. Ерзин, C.B. Сальников

Представлен эффективный метод обработки высокопрочных и твердых сталей путем введения электрического тока в зону резания. Предложено устройство интенсификации процесса резания позволяющее распределять электрический ток в зоне контакта инструмента и заготовки пропорционально контактным электрическим напряжениям, формируя распределенные по поверхности отталкивающие электродинамические силы. Это позволяет снизить коэффициент трения между трущимися поверхностями: инструмента, заготовки и стружки, а также в плоскости сдвига.

Ключевые слова: интенсификация, разрушение материала, упруготастиче-ское деформирование, электрическое воздействие, энергетические потоки.

Интенсификация и повышение эффективности машиностроительного производства на базе развития научно-технического прогресса - одни из основных задач, решаемых на современном этапе. Это напрямую связано с повышением требований к надежности и долговечности, что вызывает применение материалов с особыми физико-механическими свойствами. При высоких эксплуатационных показателях они характеризуются крайне низкой обрабатываемостью, высокими технологическими потерями и энергетическими затратами.

Обеспечение высоких темпов развития машиностроения неразрывно связано с интенсификацией процессов механической обработки материалов резанием. Несмотря на значительный прогресс в методах получения деталей без снятия стружки (давлением, точным литьем, сваркой и т.п.), удельная трудоемкость механосборочных работ не только не уменьшается, но даже возрастает, достигая 60...70 % общей трудоемкости изго-

139

товления машин. Это связано с непрерывно растущими требованиями к точности и качеству обработанной поверхности в условиях усложнения конструктивных форм деталей машин и частой смены их номенклатуры. Поэтому повышение эффективности процесса резания является одной из важнейших задач производства.

В создавшейся ситуации наиболее перспективными являются поиски альтернативных путей повышения эффективности процесса резания. К ним следует отнести введение в зону резания дополнительной энергии, снижающей работу образования новых поверхностей. Наиболее перспективным в этом направлении является введение в зону резания электрического тока [1,2].

При повышении эффективности лезвийной обработки при введении дополнительной энергии в зону резания известны и широко применяются точение с электроконтактным нагревом зоны резания, вибрационное резание с электрическим подогревом, точение металлов с подогревом в зоне резания, способ обработки металлов с подачей электрического тока в зону резания и др. Рассмотренные методы эффективны, но энергозатратны. Проведенные исследования показали, что при дозированной подаче электрической энергии в зону резания наблюдается повышение эффективности обработки, уменьшение износа инструмента и снижение энергозатрат по сравнению с ранее известными аналогами [1,3]- В соответствии с полученными результатами предложена техническая реализация электротоковой интенсификации процесса резания, обеспечивающая формирование заданных параметров импульсов тока. Функциональная схема устройства, реализующего алгоритм, приведена на рис. 1.

Рис. 1. Функциональная схема устройства формирования импульсов

электрического тока

Она включает в себя следующие основные блоки: УУ- управляющее устройство; ФДИ- формирователь длительности импульсов; ФАИ- формирователь амплитуды импульсов.

Для каждого из модулей системы можно сформулировать свои требования. Управляющее устройство должно обеспечивать оперативное, в режиме реального времени, считывание аналоговых сигналов о температу-

140

ре зоны резания (Г°) и фазе колебаний инструмента (у), и задание требуемых параметров интенсифицирующего воздействия для формирователя амплитуды и длительности импульсов. Учитывая относительную сложность алгоритма, в роли управляющего устройства целесообразно использовать микроконтроллер, обеспечивающий формирование векторного управляющего воздействия. Формирователь амплитуды импульсов должен работать в режиме ШИМ и управлять быстродействующим ключом, имея на входе соответствующий сигнал от управляющего устройства. Поскольку в функции данного блока входит стабилизация амплитудных значений импульсов, то его также предложено выполнить на микроконтроллере. Он настроен на работу ШИМ-генератора и связан с УУ по цифровому каналу связи. ФДИ выполняет функции силового ключа, работающего на высоких частотах и коммутирующего большие значения токов (до 1000А). Важнейшими параметрами блока являются: быстродействие, максимально допустимые значения амплитуды импульсов тока, минимальное падение напряжение на нем.

На сегодняшний день известно огромное количество разнообразных компонентов для построения необходимой системы управления. Применение современных элементов позволит построить гибкую систему, отвечающую поставленным требованиям. Анализ элементной базы микроконтроллерной техники и быстродействующих элементов позволил определить элементы системы управления устройством интенсификации (рис. 2).

и

Рис. 2. Принципиальная схема системы управления устройством интенсификации процесса резания

Система управления построена на 8-ми разрядном микроконтроллере Atmega2560 RISC архитектуры, фирмы Atmel. Его применение обусловлено большим набором функциональных возможностей и высоким быстродействием, около 20 млн. операций в секунду. Как головное устройство системы этот контроллер выполняет основную массу вычислений и преобразований. Все входные параметры заводятся на аналоговые порты данной компоненты.

В состав системы управления входит источник постоянного напряжения, выполненного на диодах VD1-VD4, с входным фильтром, высокочастотный стабилизатор напряжения и выходной силовой ключ. В качестве генератора высокочастотного стабилизатора выступает второй микроконтроллер, той же фирмы что и первый, но более простой и менее быстрый - Attiny167. Подобное решение обусловлено тем, что второй контроллер работает в режиме ШИМ, имея обратную связь по напряжению со вторичной стороны выходного трансформатора. Связь с центральным процессором системы выполняется по протоколу UART (Universal asynchronous receiver/transmitter-универсальный асинхронный приемопередатчик (наиболее широкое распространение получил протокол RS232)). Требуемое значение амплитуды передается в этот контроллер через последовательный порт. Генератор служит для формирования опорной последовательности импульсов требуемой частоты, формируя амплитудное значение напряжение на выходе источника. На выходной обмотке импульсного трансформатора T1 формируется напряжение, определяющее амплитудное значение силовых импульсов. К этой обмотке через выпрямитель с емкостным накопителем подключен блок полевых транзисторов, выполняющих функции силового ключа, который управляется центральным контроллером.

Вторая выходная обмотка трансформатора служит для формирования сигнала обратной связи, который поступает на инверсный вход операционного усилителя DA1. Таким образом, контроллер оценивает разницу между сигналом обратной связи и значением амплитуды, полученным от головного контроллера, и оперативно корректирует параметры ШИМ, разгружая центральный контроллер от текущих вычислений. Данный генератор ШИМ управляет быстродействующим IGBT ключом, установленным в первичной цепи трансформатора. Применение его в этом каскаде обусловлено высокой частотой срабатывания и сравнительно не большим током коммутации.

Управление этим блоком силовых ключей ФДИ осуществляется микроконтроллером через порт PC1.

Сигналы обратной связи по положению режущей кромки резца и температуре зоны резания поступают в микроконтроллер в аналоговом виде через порты AI0...AI3. Температура зоны резания измеряется естественной термопарой инструмент-заготовка и её значение, усиленное операционным усилителем поступает на аналоговый вход порта PA4. Про-

граммное обеспечение контролера позволяет быстро оцифровывать полученные данные и выполнять операции над ними в соответствии с разработанным алгоритмом оптимизации. Микроконтроллер, через встроенные в процессор ШИМ-генераторы, формирует на выходных портах сигналы, определяющие момент подачи и длительность электрического воздействия.

Один генератор формирует выходное напряжение импульсного стабилизатора, определяющего амплитуду электрического воздействия. Другой, управляя блоком силовых MOSFET ключей, определяет длительность импульса и момент его формирования. Это позволяет упростить структуру программы, повысив быстродействие расчетов. Применение двух микроконтроллеров позволяет разгрузить один из них от лишних вычислений и тем самым дать ему возможность быстро реагировать на изменение входных параметров системы. В результате микроконтроллер оперативно, в режиме реального времени, регулирует и подстраивает параметры электрического воздействия таким образом, чтобы увеличить эффективность обработки. Учет влияния режимов обработки осуществляется путем введения в микроконтроллер через входной порт таких параметров как подача, скорость и глубина резания.

Блок схема алгоритма центрального контроллера приведена на

рис. 3.

Большую часть времени контроллер работает с обработкой прерываний от аналого-цифровых преобразователей, таймеров и последовательного порта.

Микропроцессорная система управления при первом запуске оценивает максимальную скорость отжима резца, характеризующую наибольшую величину дефектности структуры; измеряет примерный период основной гармоники колебания резца. Для определения первого прохода в системе введена переменная FIRST_START, которая выставляется в TRUE при каждом первом включении системы. При первом проходе алгоритма обнуляются переменные для сравнения скорости и выставляется флаг FIRST_START в FALSE.

Измерения скорости отжима резца и периода колебаний резца происходят циклически. Период колебаний измеряется таймером, встроенным в микроконтроллер, его запуск происходит сразу после изменения показаний датчика деформаций. Цикл запускается для опроса датчиков и передачи данных на ШИМ-контроллер. В цикле происходит считывание аналого-во-цифровых преобразователей сигналов с датчиков температуры и вибрации и занесение всех значений в соответствующие переменные. После чего следует передача данных по UART второму контроллеру для определения момента запуска пакета импульсов, а значения температуры зоны резания для вычисления амплитудного значения тока интенсификации. Далее сравнивается текущее значение скорости с максимальным. Если значения

равны, или попадают в доверительный диапазон, то включается таймер и выставляется команда на формирование пакета импульсов интенсификации, в противном случае алгоритм возвращается к моменту чтения АЦП. Таймер используется для ограничения интенсифицирующего воздействия во времени. Это условие и есть следующий шаг алгоритма. При появлении условия о нулевой скорости отжима резца или длительности пакета импульсов необходимой величины происходит следующее: снимается интенсифицирующее воздействие, останавливается таймер, обнуляются его показания, и алгоритм возвращается на начало цикла. Это позволяет исключить ложные срабатывания от помех или наводок.

Начало

fhnst_Marf=fnie Т2=0

>vail ADC(5)=0

I

STAR! 12

fcilse

fhstjitait true

fust_start~false Vrrax=0 V=0

±

Мче ,

Vmax<Y

"^truc

Vmax=Y

V=0 truef

Tu,P=T2/1 T2=0

Read AIX: V=tIAJDC)

false

/ 1

Т1=0

г

Read ADC YHfiADC)

i

PWMflADC) UART-PWM

<T V-Vmux -

iruc

SET PCI START T1

z

Read ADC V=fiADC)

<V?-OcrTl-Tu^ [tme

fa J ее

X

RF.SFTPCl ST0PT1 TJ-0

I

Конец

Рис. 3. Блок-схема алгоритма интенсификации процесса резания

Введение электрического тока в зону резания является эффективным средством улучшения обрабатываемости высокопрочных и твердых сталей. При традиционной обработке этих материалов на контактных поверхностях наблюдаются условия, близкие к сухому трению; при этом взаимодействие трущихся пар происходит по химически чистым поверхностям. В этом случае физическое состояние контактной пары «инструмент - заготовка» можно искусственно изменить путем ввода в зону резания электрического тока низкого напряжения. Электрический ток, распределяясь в зоне контакта инструмента и заготовки пропорционально контактным электрическим напряжениям, формирует распределенные по по-

верхности отталкивающие электродинамические силы. Они снижают коэффициент трения между трущимися поверхностями: инструмента, заготовки и стружки, а также в плоскости сдвига. Ввиду высокого быстродействия ввода дополнительной энергии в зону резания посредством пропускания электрического тока следует ожидать существенного снижения сил резания и износа инструмента.

Работа выполнена в рамках проекта РФФИ 15-48-03270 р_центр_а «Развитие теории интенсификации механизмов направленного разрушения материала электрическим воздействием на зону упругопластического деформирования».

Список литературы

1. Шадский Г.В. Сальников С.В. Условия возникновения микровзрывов в зоне резания при интенсификации процесса импульсами электрического тока // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып. 3. Ч. 1. Тула: Изд-во ТулГУ, 2011. С.279 - 282.

2. Патент № 2009111372 РФ МПК В23В1/00. Способ обработки металлов с подачей электрического тока в зону резания / Г.В. Шадский [и др.]. 2009.

3. Шадский Г.В. Сальников С.В. Возможности автоматического управления разрушением зоны резания // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2012. Вып. 2. С. 53 - 57.

4. Иванов Н.И. Методологические принципы разработки и исследования интенсифицированных методов механо-электрофизико-химической размерной обработки: дис. ... д-ра техн. наук. Тула, 1996. 322 с.

Шадский Геннадий Викторович, д-р техн. наук, проф., stanki@uic.tula.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Ерзин Олег Александрович, канд. техн. наук, доц., erzin79@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Сальников Сергей Владимирович, асп., sergeysalnikov@yandex.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

TECHNICAL REALIZATION OF THE ELECTROCURRENTINTENSIFICATION

OF PROCESS OF CUTTING

G. V. Shadsky, O. A. Erzin, S. V. Salnikov 145

Article is devoted to an effective method of processing high-strength and firm staly by introduction of electric current to a cutting zone. The cutting process intensification device allowing to distribute electric current in a zone of contact of the tool and preparation is offered it is proportional to contact voltages, forming the repellent electrodynamic forces distributed on a surface. It allows to lower friction coefficient between the rubbing surfaces: the tool, preparation and shaving, and also in the shift plane.

Key words: intensification, material destruction, elasto-plastic deformation, electric influence, power streams.

Shadsky Gennady Victorovich, doctor of technical sciences, professor, stan-kiauic. tula.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Erzin Oleg Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, er-zin79@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Salnikov Sergey Vladimirovich, postgraduate, sergeysalnikov@yandex. ru, Russia, Tula, Tula State University