Устройство электротоковой интенсификации процесса резания

Experimental studies of the effect of pulsed electrical action on the modulus of elasticity of the workpiece material during the cutting process are carried out. A technique for experimental studies is proposed. The rationale for the method and means for measuring changes in the modulus of elasticity is described. A preliminary theoretical evaluation of the dynamics of a mechanical system with a change in its rigidity under the action of a pulsed electrical action is made.

Key words: modulus of elasticity, pulsed electric current, pulse generator, dynamics of deformation, experimental studies.

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

УДК 621.91.01

УСТРОЙСТВО ЭЛЕКТРОТОКОВОЙ ИНТЕНСИФИКАЦИИ

ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ

С.В. 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: зона резания, электрический ток, упругопластическое деформирование, интенсификация.

На основании известного подхода к интенсификации процесса резания дискретным электрическим воздействием [1-3] разработан алгоритм обработки металлов с подачей электрического тока в зону резания, заключающийся в том, что ток подводят импульсами, регулируют длительность и частоту в зависимости от условий обработки и синхронизируют их с фазой упругопластического деформирования материала в зоне резания. Предложено импульсы подавать в момент совпадения соответствующих полуволн определенного комплектагармонических составляющих колебаний сил резания, длительность импульса выбирать в соответствии задержкой начала пластического течения обрабатываемого материала, а их амплитуду определять по установленной функциональной зависимости IA = f (Ь,£,Sp,т,Ь), где Ъ, S- глубина резания и подача на оборот, оp,т

- предел прочности и абсолютная магнитная проницаемость обрабатываемого материала; h - толщина зоны дефектности в окрестности плоскости сдвига, а при сегментном стружкообразовании - длина сегмента стружки.

357

В соответствии с алгоритмом управления и функциональной схемой устройства электротоковой интенсификации процесса резания [4], а также выбранной элементной базой [6,7] разработана принципиальная схема устройства, реализующего способ интенсификации процесса резания импульсным электрическим воздействием (рис.1).

Учитывая сложность решаемой задачи и много параметричность входного и выходного воздействий предложено в его основу положить микроконтроллер.

Рис.1.Принципиальная схема системы управления интенсификацией

процесса резания

Система управления построена на 8-ми разрядном микроконтроллере Atmega2560 RISC архитектуры, фирмы Atmel. Контроллер установлен на плате ArduinoMega2560(рис.2,а). Его применение обусловлено большим набором функциональных возможностей и высоким быстродействием, около 20 млн. операций в секунду. Как головное устройство системы этот контроллер будет выполнять основной объем вычислений и преобразований. Все входные параметры, необходимые для работы с универсальными станками задаются с помощью кнопок и имеют отображение на цифровой панели меньшего контроллера. При работе со станками с ЧПУ предусмотрен порт RS-485 для получения всех необходимых данных.

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 - Atmega16. Этот контроллер установлен на платформе ArduinoUno (рис.2,б) и к нему подключается модуль двухстрочного дисплея с кнопка-

ми Arduino LCD 1602 (рис.2,в). Благодаря применению этого модуля на основной платформе задействовано всего несколько портов поскольку подключение будет осуществляться по интерфейсу I2C (последовательная асимметричная шина).

а б в

Рис.2. Внешний вид модуля: а -ArduinoMega2560; б - ArduinoUno;

в - LCD 1602

Подобное решение обусловлено тем, что второй контроллер работает в режиме ШИМ, имея обратную связь по напряжению со вторичной стороны выходного трансформатора. Связь с центральным кристаллом 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 высокочастотного 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, необходимого контроллеру для оценки напряжения и оперативной корректировки параметров ШИМ. Данный каскад управляет быстродействующим IGBT ключом, установленным в первичной цепи трансформатора. Применение его в этой цепи обусловлено высоким напряжением и сравнительно не большим током коммутации.

Управление блоком силовых ключей ФДИ осуществляется центральным микроконтроллером через порт PC1 и драйвер IR2125. Сигнал обратной связи по параметрам колебания силы резания поступает в микроконтроллер в аналоговом виде через порт PA0. Программное обеспечение контролера позволяет быстро оцифровывать полученные данные и выполнять операции над ними в соответствии с разработанным алгоритмом управления. Микроконтроллер формирует на выходных портах сигналы,

359

определяющие момент подачи и длительность электрического воздействия. Алгоритм центрального контроллера построен таким образом, что большую часть рабочего времени он работает с обработкой прерываний от аналого-цифровых преобразователей, таймеров и последовательного порта.

В разработке применяется типовая схема подключения драйвера IR2125 с использованием функции защиты от перегрузки. Для этой цели используется вывод 6 (CS). Напряжение срабатывания входа защиты — 230 мВ. Для измерения тока в эмиттере установлен резистор Rsense, номинал которого и делитель R1, R4 определяют ток защиты.

Как было указано выше, если при появлении перегрузки уменьшить напряжение на затворе, период распознавания аварийного режима может быть увеличен. Это необходимо для исключения ложных срабатываний. Данная функция реализована в микросхеме IR2125. Конденсатор С1, подключенный к выводу 3 (ERR), определяет время анализа состояния перегрузки. При С 1=300 пФ время анализа составляет около 10 мкс (оно определяется выходным током таймера и пороговым напряжением компаратора). На это время выходной буфер драйвера переключается на управление от дифференциального усилителя, напряжение на затворе снижается, а ток коллектора ограничивается на безопасном уровне. Если состояние перегрузки не прекращается, то через 10 мкс транзистор отключается полностью. Дополнительная помехозащищенность обеспечивается схемой задержки, которая включает схему защиты через 500 нс после возникновения перегрузки.

Отключение защиты происходит при снятии входного сигнала, что позволяет пользователю организовать циклическую схему сброса при перегрузке. При использовании такой схемы защиты особое внимание следует уделить выбору времени повторного включения, которое должно быть больше тепловой постоянной времени кристалла силового транзистора. Тепловая постоянная времени определяется по графику теплового импеданса, приводимому в технических характеристиках.

Разделение задач между контроллерами на формирование длительности импульса и формирование амплитудного значения позволяет упростить структуру программы, повысив быстродействие расчетов. Применение двух микроконтроллеров позволяет разгрузить центральный 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. Режимы обработки, такие, как подача, скорость и глубина резания, а также требуемые характеристики материала вводятся в микроконтроллер через входной порт.

Таким образом, использование предлагаемого устройства для обработки металлов с подачей электрического тока в зону резания, благодаря синхронизации импульсов с фазой упругопластического деформирования

360

обрабатываемого материала в зоне резания, соответствующей оптимальному значению ее дефектности позволяет уменьшить силы резания, температуру в зоне резания и энергоемкость процесса точения, повысив стойкость 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., Ерзин О.А., Сальников С.В. Дискретная модель движения стружки по передней поверхности режущего клина // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2012. Вып.11.Ч.2. С. 553-560.

2. Шадский Г.В., Ерзин О. А., Сальников С.В. Математическое описание процесса управления разрушением материала в зоне резания// Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2014. Вып.11.Ч.2. С. 395-401.

3. Шадский Г.В., Ерзин О. А., Сальников С.В.Управления процессом стружкообразования // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2017. Вып.1. С. 99-109.

4. Шадский Г.В., Ерзин О. А., Сальников С.В.Техническая реализация электротоковой интенсификации процесса резания // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2016. Вып.7.Ч.1. С. 139-146.

5. Шадский В .Г., Ерзин О. А., Сальников С.В.Один из аспектов разрушения материала в зоне резания при действии электрического тока // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. Вып.3. 2011. С. 305-309.

6. Сальников С.В. Один из аспектов построения системы управления интенсификации процесса резания // 9-я Региональная магистерская научная конференция: тезисы докладов. Тула: Изд-во ТулГУ.

7. Сальников С.В. Система управления дискретным интенсифицирующим воздействием на зону резания // Молодежный вестник политехнического института: тезисы докладов. Тула: Изд-во ТулГУ.

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

DEVICE FOR ELECTRIC SHOCK INTENSIFICA TION OF CUTTING PROCESS

S.V. Salnikov 361

An efficient methodfor treating high-strength and hard steels by introducing an electric current into the cutting zone is presented. A device for intensifying the cutting process is proposed that makes it possible to distribute the electric current in the contact zone of the tool and workpiece in proportion to the contact electrical stresses, forming repulsive electrody-namic forces distributed over the surface. This makes it possible to reduce the coefficient of friction between rubbing surfaces: tools, workpieces and chips, and also in the plane of shear.

Key words: cutting zone, electric current, elastoplastic deformation, intensification.

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

УДК 539.3:534.26

О ВЛИЯНИИ НЕОДНОРОДНОГО ПОКРЫТИЯ УПРУГОЙ ПЛАСТИНЫ НА ОТРАЖЕНИЕ И ПРОХОЖДЕНИЕ ЗВУКА

Л. А. Толоконников, Нгуен Тхи Шанг

Рассматриваются задачи об отражении и прохождении звука через упругую однородную пластину с неоднородным упругим покрытием, когда покрытие нанесено на разные стороны пластины. Выявлены особенности отражения и прохождения звука при разных законах неоднородности материала покрытия.

Ключевые слова:звуковые волны, отражение и прохождение, упругая однородная пластина, неоднородное упругое покрытие, законы неоднородности.

Отражение и прохождение звука через плоский однородный изо-тропныйупругий слой изучалось во многих работах, например, в [1,2]. В работах [3, 4] рассматривалось отражение звука анизотропными однородными упругими пластинами. В [5, 6] обсуждалось прохождение звука через однородный изотропныйтермоупругий плоский слой.Исследовалось прохождение звуковых волн через плоские неоднородный изотропный уп-ругийслой [7] и трансверсально-изотропный неоднородныйупругий слой [8, 9]. В [10] рассматривалась задача об отражении и преломленииплоской звуковой волны неоднородным упругим плоским слоем, материал которо-гообладает анизотропией общего вида. В [11] изучалось прохождение звука через неоднородный анизотропный плоский слой, граничащий с вязкими жидкостями.Прохождение плоской звуковой волнычерез непрерывно-неоднородный и дискретно-неоднородный термоупругиеплоские слои, граничащие с невязкими теплопроводными жидкостями,рассматривалось в [12, 13].