Том 25 № 1 2023 1 СОДЕРЖАНИЕ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ СОУЧРЕДИТЕЛИ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» ООО НПКФ «Машсервисприбор» ГЛАВНЫЙ РЕДАКТОР Батаев Анатолий Андреевич – профессор, доктор технических наук, ректор НГТУ ЗАМЕСТИТЕЛИ ГЛАВНОГО РЕДАКТОРА Иванцивский Владимир Владимирович – доцент, доктор технических наук Скиба Вадим Юрьевич – доцент, кандидат технических наук Ложкина Елена Алексеевна – редактор перевода текста на английский язык, кандидат технических наук Перепечатка материалов из журнала «Обработка металлов» возможна при обязательном письменном согласовании с редакцией журнала; ссылка на журнал при перепечатке обязательна. За содержание рекламных материалов ответственность несет рекламодатель. 16+ РЕДАКЦИОННЫЙ СОВЕТ Председатель совета Пустовой Николай Васильевич – доктор технических наук, профессор, Заслуженный деятель науки РФ, член Национального комитета по теоретической и прикладной механике, президент НГТУ, г. Новосибирск (Российская Федерация) Члены совета Федеративная Республика Бразилия: Альберто Морейра Хорхе, профессор, доктор технических наук, Федеральный университет, г. Сан Карлос Федеративная Республика Германия: Монико Грайф, профессор, доктор технических наук, Высшая школа Рейн-Майн, Университет прикладных наук, г. Рюссельсхайм, Томас Хассел, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен, Флориан Нюрнбергер, доктор технических наук, Ганноверский университет Вильгельма Лейбница, г. Гарбсен Испания: Чувилин А.Л., кандидат физико-математических наук, профессор, научный руководитель группы электронной микроскопии «CIC nanoGUNE», г. Сан-Себастьян Республика Беларусь: Пантелеенко Ф.И., доктор технических наук, профессор, член-корреспондент НАН Беларуси, Заслуженный деятель науки Республики Беларусь, Белорусский национальный технический университет, г. Минск Украина: Ковалевский С.В., доктор технических наук, профессор, проректор по научно-педагогической работе Донбасской государственной машиностроительной академии, г. Краматорск Российская Федерация: Атапин В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Балков В.П., зам. ген. директора АО «ВНИИинструмент», канд. техн. наук, г. Москва, Батаев В.А., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Буров В.Г., доктор техн. наук, профессор, НГТУ, г. Новосибирск, Герасенко А.Н., директор ООО НПКФ «Машсервисприбор», г. Новосибирск, Коротков А.Н., доктор техн. наук, профессор, академик РАЕ, КузГТУ, г. Кемерово, Кудряшов Е.А., доктор техн. наук, профессор, Засл. деятель науки РФ, ЮЗГУ, г. Курск, Лобанов Д.В., доктор техн. наук, доцент, ЧГУ, г. Чебоксары, Макаров А.В., доктор техн. наук, член-корреспондент РАН, ИФМ УрО РАН, г. Екатеринбург, Овчаренко А.Г., доктор техн. наук, профессор, БТИ АлтГТУ, г. Бийск, Сараев Ю.Н., доктор техн. наук, профессор, ИФПМ СО РАН, г. Томск, Янюшкин А.С., доктор техн. наук, профессор, ЧГУ, г. Чебоксары Журнал входит в «Перечень ведущих рецензируемых научных журналов и изданий, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук». Полный текст журнала «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» теперь можно найти в базах данных компании EBSCO Publishing) на платформе EBSCOhost. EBSCO Publishing является ведущим мировым агрегатором научных и популярных изданий, а также электронных и аудиокниг. ИЗДАЕТСЯ С 1999 г. Периодичность – 4 номера в год ИЗДАТЕЛЬ ФГБОУ ВО «Новосибирский государственный технический университет» Журнал включен в Реферативный журнал и Базы данных ВИНИТИ. Сведения о журнале ежегодно публикуются в международной справочной системе по периодическим и продолжающимся изданиям «Ulrich’s Periodicals Directory» Журнал награжден в 2005 г. Большой Золотой Медалью Сибирской Ярмарки за освещение новых технологий, инструмента, оборудования для обработки металлов Журнал зарегистрирован 01.03.2021 г. Федеральной службой по надзору за соблюдением законодательства в сфере массовых коммуникаций и охране культурного наследия. Свидетельство о регистрации ПИ № ФС77-80400 Индекс: 70590 по каталогу OOO «УП УРАЛ-ПРЕСС» Адрес редакции и издателя: 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет (НГТУ), корп. 5. Тел. +7 (383) 346-17-75 Сайт журнала http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Цена свободная Журнал «Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты)» индексируется в крупнейших в мире реферативно-библиографических и наукометрических базах данных Web of Science и Scopus. WEB OF SCIENCE
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 1 2023 2 СОДЕРЖАНИЕ СОДЕРЖАНИЕ ТЕХНОЛОГИЯ Рябошук С.В., Ковалев П.В. Анализ причин образования дефектов заготовок из стали 12X18H10T и разработка рекомендаций по их устранению............................................................................................... 6 Лапшин В.П., Моисеев Д.В. Определение оптимального режима обработки металлов при анализе динамики систем управления резанием........................................................................................................ 16 Гимадеев М.Р., Ли А.А., Беркун В.О., Стельмаков В.А. Экспериментальное исследование динамики процесса механообработки концевыми сфероцилиндрическими фрезами.................................................. 44 Братан С.М., Часовитина А.С. Моделирование взаимосвязей между входными факторами и выходными показателями процесса внутреннего шлифования с учетом взаимных колебаний инструмента и заготовки.......................................................................................................................................................... 57 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Подгорный Ю.И., Кириллов А.В., Скиба В.Ю., Мартынова Т.Г., Лобанов Д.В., Мартюшев Н.В. Синтез механизма привода технологической машины непрерывного действия......................................... 71 Лобанов Д.В., Рафанова О.С. Методика критериального анализа мультивариантных систем............... 85 МАТЕРИАЛОВЕДЕНИЕ Соколов А.Г., Бобылёв Э.Э., Попов Р.А. Особенности формирования диффузионных покрытий, полученных комплексной химико-термической обработкой конструкционных сталей......................... 98 Филиппов А.В., Хорошко Е.С., Шамарин Н.Н., Колубаев Е.А., Тарасов С.Ю. Исследование свойств сплавов на основе кремниевой бронзы, напечатанных с применением технологии электронно-лучевого аддитивного производства................................................................................................................................ 110 Лысых С.А., Корнопольцев В.Н., Мишигдоржийн У.Л., Хараев Ю.П., Тихонов А.Г., Иванцивский В.В., Вахрушев Н.В. Влияние продолжительности боромеднения на толщину диффузионного слоя и микротвердость углеродистых и легированных сталей..................................................................... 131 МАТЕРИАЛЫ РЕДАКЦИИ 149 МАТЕРИАЛЫ СОУЧЕРЕДИТЕЛЕЙ 159 Корректор Л.Н. Ветчакова Художник-дизайнер А.В. Ладыжская Компьютерная верстка Н.В. Гаврилова Налоговая льгота – Общероссийский классификатор продукции Издание соответствует коду 95 2000 ОК 005-93 (ОКП) Подписано в печать 10.03.2023. Выход в свет 15.03.2023. Формат 60×84 1/8. Бумага офсетная. Усл. печ.л. 20,0. Уч.-изд. л. 37,2. Изд. № 46. Заказ 91. Тираж 300 экз. Отпечатано в типографии Новосибирского государственного технического университета 630073, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20
Vol. 25 No. 1 2023 3 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL BOARD EDITOR-IN-CHIEF: Anatoliy A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Rector, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation DEPUTIES EDITOR-IN-CHIEF: Vladimir V. Ivancivsky, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Vadim Y. Skeeba, Ph.D. (Engineering), Associate Professor, Department of Industrial Machinery Design, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation Editor of the English translation: Elena A. Lozhkina, Ph.D. (Engineering), Department of Material Science in Mechanical Engineering, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation The journal is issued since 1999 Publication frequency – 4 numbers a year Data on the journal are published in «Ulrich's Periodical Directory» Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working and Material Science”) has been Indexed in Clarivate Analytics Services. Novosibirsk State Technical University, Prospekt K. Marksa, 20, Novosibirsk, 630073, Russia Tel.: +7 (383) 346-17-75 http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov E-mail: metal_working@mail.ru; metal_working@corp.nstu.ru Journal “Obrabotka Metallov – Metal Working and Material Science” is indexed in the world's largest abstracting bibliographic and scientometric databases Web of Science and Scopus. Journal “Obrabotka Metallov” (“Metal Working & Material Science”) has entered into an electronic licensing relationship with EBSCO Publishing, the world's leading aggregator of full text journals, magazines and eBooks. The full text of JOURNAL can be found in the EBSCOhost™ databases. WEB OF SCIENCE
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 1 2023 4 EDITORIAL COUNCIL EDITORIAL COUNCIL CHAIRMAN: Nikolai V. Pustovoy, D.Sc. (Engineering), Professor, President, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk, Russian Federation MEMBERS: The Federative Republic of Brazil: Alberto Moreira Jorge Junior, Dr.-Ing., Full Professor; Federal University of São Carlos, São Carlos The Federal Republic of Germany: Moniko Greif, Dr.-Ing., Professor, Hochschule RheinMain University of Applied Sciences, Russelsheim Florian Nürnberger, Dr.-Ing., Chief Engineer and Head of the Department “Technology of Materials”, Leibniz Universität Hannover, Garbsen; Thomas Hassel, Dr.-Ing., Head of Underwater Technology Center Hanover, Leibniz Universität Hannover, Garbsen The Spain: Andrey L. Chuvilin, Ph.D. (Physics and Mathematics), Ikerbasque Research Professor, Head of Electron Microscopy Laboratory “CIC nanoGUNE”, San Sebastian The Republic of Belarus: Fyodor I. Panteleenko, D.Sc. (Engineering), Professor, First Vice-Rector, Corresponding Member of National Academy of Sciences of Belarus, Belarusian National Technical University, Minsk The Ukraine: Sergiy V. Kovalevskyy, D.Sc. (Engineering), Professor, Vice Rector for Research and Academic Affairs, Donbass State Engineering Academy, Kramatorsk The Russian Federation: Vladimir G. Atapin, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Victor P. Balkov, Deputy general director, Research and Development Tooling Institute “VNIIINSTRUMENT”, Moscow; Vladimir A. Bataev, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Vladimir G. Burov, D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, Novosibirsk; Aleksandr N. Gerasenko, Director, Scientifi c and Production company “Mashservispribor”, Novosibirsk; Aleksandr N. Korotkov, D.Sc. (Engineering), Professor, Kuzbass State Technical University, Kemerovo; Evgeniy A. Kudryashov, D.Sc. (Engineering), Professor, Southwest State University, Kursk; Dmitry V. Lobanov, D.Sc. (Engineering), Associate Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary; Aleksey V. Makarov, D.Sc. (Engineering), Corresponding Member of RAS, Head of division, Head of laboratory (Laboratory of Mechanical Properties) M.N. Miheev Institute of Metal Physics, Russian Academy of Sciences (Ural Branch), Yekaterinburg; Aleksandr G. Ovcharenko, D.Sc. (Engineering), Professor, Biysk Technological Institute, Biysk; Yuriy N. Saraev, D.Sc. (Engineering), Professor, Institute of Strength Physics and Materials Science, Russian Academy of Sciences (Siberian Branch), Tomsk; Alexander S. Yanyushkin, D.Sc. (Engineering), Professor, I.N. Ulianov Chuvash State University, Cheboksary
Vol. 25 No. 1 2023 5 CONTENTS OBRABOTKAMETALLOV TECHNOLOGY Ryaboshuk S.V., Kovalev P.V. Analysis of the reasons for the formation of defects in the 12-Cr18-Ni10-Ti steel billets and development of recommendations for its elimination............................................................... 6 Lapshin V.P., Moiseev D.V. Determination of the optimal metal processing mode when analyzing the dynamics of cutting control systems................................................................................................................... 16 Gimadeev M.R., Li A.A., Berkun V.O., Stelmakov V.A. Experimental study of the dynamics of the machining process by ball-end mills.................................................................................................................. 44 Bratan S.M., Chasovitina A.S. Simulation of the relationship between input factors and output indicators of the internal grinding process, considering the mutual vibrations of the tool and the workpiece................... 57 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Podgornyj Yu.I., KirillovA.V., Skeeba V.Yu., Martynova T.G., Lobanov D.V., Martyushev N.V. Synthesis of the drive mechanism of the continuous production machine......................................................................... 71 Lobanov D.V., Rafanova O.S. Methodology for criteria analysis of multivariant system................................ 85 MATERIAL SCIENCE Sokolov A.G., Bobylyov E.E., Popov R.A. Diffusion coatings formation features, obtained by complex chemical-thermal treatment on the structural steels............................................................................................ 98 Filippov A.V., Khoroshko E.S., Shamarin N.N., Kolubaev E.A., Tarasov S.Yu. Study of the properties of silicon bronze-based alloys printed using electron beam additive manufacturing technology................... 110 Lysykh S.A., Kornopoltsev V.N., Mishigdorzhiyn U.L., Kharaev Yu.P., Tikhonov A.G., Ivancivsky V.V., Vakhrushev N.V. The effect of borocoppering duration on the composition, microstructure and microhardness of the surface of carbon and alloy steels............................................................................................................. 131 EDITORIALMATERIALS 149 FOUNDERS MATERIALS 159 CONTENTS
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 1 2023 71 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Синтез механизма привода технологической машины непрерывного действия Юрий Подгорный 1, 2, а, *, Александр Кириллов 1, 3, b, Вадим Скиба 1, c, Татьяна Мартынова 1, d, Дмитрий Лобанов 4, e, Никита Мартюшев 5, f 1 Новосибирский государственный технический университет, пр. К. Маркса, 20, г. Новосибирск, 630073, Россия 2 Новосибирский технологический институт (филиал) Российского государственного университета им. А.Н. Косыгина (Технологии. Дизайн. Искусство), Красный пр., 35 (ул. Потанинская, 5), г. Новосибирск, 630099, Россия 3 Новосибирский государственный педагогический университет, ул. Вилюйская, 28, г. Новосибирск, 630126, Россия 4 Чувашский государственный университет им. И.Н. Ульянова, Московский пр-т, 15, г. Чебоксары, Чувашская Республика, 428015, Россия 5 Национальный исследовательский Томский политехнический университет, пр. Ленина, 30, г. Томск, 634050, Россия a https://orcid.org/0000-0002-1664-5351, pjui@mail.ru, b https://orcid.org/0000-0002-8142-2787, kirillovalvs@mail.ru, c https://orcid.org/0000-0002-8242-2295, skeeba_vadim@mail.ru, d https://orcid.org/0000-0002-5811-5519, martynova@corp.nstu.ru, e https://orcid.org/0000-0002-4273-5107, lobanovdv@list.ru, f https://orcid.org/0000-0003-0620-9561, martjushev@tpu.ru Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты). 2023 Том 25 № 1 с. 71–84 ISSN: 1994-6309 (print) / 2541-819X (online) DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.1-71-84 Обработка металлов (технология • оборудование • инструменты) Сайт журнала: http://journals.nstu.ru/obrabotka_metallov Введение В работах [1–7] большое внимание уделено процессу перемешивания продукта и отмечено, что сам процесс происходит в стационарных условиях, т. е. при постоянных угловых скоростях перемешивающих устройств, и это является главИНФОРМАЦИЯ О СТАТЬЕ УДК 621.8, 519.6:539.3 История статьи: Поступила: 15 декабря 2022 Рецензирование: 14 января 2023 Принята к печати: 25 января 2023 Доступно онлайн: 15 марта 2023 Ключевые слова: Структурный синтез механизма Группы Ассура Параметрический синтез механизма Кинематическая схема Кулачково-кулисный механизм Кинематические параметры Коэффициент трения Угол трения Финансирование: Работа выполнена при финансовой поддержке в рамках Тематического плана НИР НГТУ по проекту ТП-ПТМ-1_23. Благодарности: Исследования выполнены на оборудовании ЦКП «Структура, механические и физические свойства материалов» (соглашение с Минобрнаукой № 13.ЦКП.21.0034). АННОТАЦИЯ Введение. Существующие конструкции перемешивающих устройств работают при постоянной угловой скорости рабочего органа. При осуществлении данного процесса возникают зоны, в которых движение материала может отсутствовать. При этом качество готовой продукции снижается. При совершении рабочим органом движения с переменной угловой скоростью силы инерции при смене их знака способствуют созданию условий, при которых смесь будет терять контакт с лопастью и переходить на новые уровни движения, а это способствует повышению качества и интенсивности процесса перемешивания. Цель работы. Повышение качества перерабатываемой смеси на лопастных горизонтальных машинах. Методы. Теоретические исследования выполнены с использованием основных положений теории машин и механизмов, структурного и параметрического синтеза, кинематического анализа, математического и компьютерного моделирования. Результаты и обсуждения. В соответствии с предложенной методикой был проведен синтез кулачково-кулисного механизма, позволивший подобрать основные размеры для кулачкового механизма: минимальный радиус и межосевое расстояние. Для синтеза кулисной группы были использованы параметры синтезированного кулачкового механизма и, используя основные параметры, для кулисной группы (размер входного звена, угол начального положения второго плеча коромысла и оси кулисы, равный 90). Получен угол размаха для коромысла, равный 103. В результате проведенного кинематического расчета установлено, что выстой рабочих валов находится в пределах 80. Качество смеси можно оценить по углу застойной зоны, который образуется при движении сыпучего материала. В статических условиях он равен 0,846, а при переменной угловой скорости – 0,550. Теоретически подтверждено, что инерционные силы, меняющие знак четыре раза за один цикл, обеспечат встряхивание и отскок перемешиваемой массы от лопастей, что, в свою очередь, позволит существенно повысить качество смеси. Для цитирования: Синтез механизма привода технологической машины непрерывного действия / Ю.И. Подгорный, А.В. Кириллов, В.Ю. Скиба, Т.Г. Мартынова, Д.В. Лобанов, Н.В. Мартюшев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2023. – Т. 25, № 1. – С. 71–84. – DOI: 10.17212/1994-6309-2023-25.1-71-84. ______ *Адрес для переписки Подгорный Юрий Ильич, д.т.н., профессор Новосибирский государственный технический университет, пр. К. Маркса, 20, 630073, г. Новосибирск, Россия Тел.:+7 (383) 346-17-79, e-mail: pjui@mail.ru
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 1 2023 72 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ ным препятствием получения качественной смеси. Отмечается также, что при работе смесителя через некоторое время скорость движения смеси становится равной скорости рабочего органа смесителя. В результате этого смесь движется послойно: частицы компонентов большей массы перемещаются по орбитам большего радиуса, частицы меньшей массы – по орбитам меньшего радиуса. При этом в смесителях имеются зоны, где движение материала незначительно или вообще отсутствует, в результате качество готовой продукции снижается. При сообщении рабочему органу переменной угловой скорости происходит переход масс продукта из одного слоя в другой, что способствует повышению качества и интенсивности процесса смешивания [8]. Известны различные конструкции приводов для смесителей непрерывного действия [9–11]. Одно из них [9] представляет собой рабочую камеру, выполненную в виде полуцилиндра, внутри которой вдоль ее оси размещен рабочий вал с лопастями. Смесь заполняет камеру равномерно по всей ее ширине. Привод к рабочему валу осуществляется от электродвигателя посредством клиноременной и зубчатой передачи и имеет постоянную скорость вращения. Известна конструкция с двумя рабочими валами [10], которые совершают сложное движение за счет сочетания вращательного и возвратно-поступательного движения. Вращение передается от двигателя на рабочие валы посредством ременной передачи и двухступенчатого редуктора, а возвратно-поступательное движение – через одноступенчатую зубчатую и червячную передачу и эксцентриковый механизм. К недостаткам этих конструкций смесителей можно отнести следующие: во время простоев машины смесь в рабочей камере уплотняется, повторный запуск машины затруднен, а в отдельных случаях и становится невозможным из-за увеличения нагрузок на месильные лопасти при их поступательном движении. Нагрузки становятся настолько большими, что приводят к значительным деформациям лопастей, в связи с чем требуется ремонт рабочих органов. С данной проблемой столкнулись на макаронной фабрике в г. Новосибирске, где в составе автоматической линии эксплуатируется двухвальный смеситель непрерывного действия (тестомесильная машина). Одно из решений данной проблемы предложено в работе [11], согласно которой привод к рабочим валам включает в себя двигатель, механизм для сообщения рабочим валам вращательного движения и передаточный механизм для сообщения им возвратно-поступательного движения. При этом на валу между червяком и зубчатым колесом одноступенчатой зубчатой передачи установлена предохранительная муфта. Такое исполнение тестомесильной машины позволяет повысить ее производительность за счет сокращения времени простоев, обусловленных отсутствием необходимости выгрузки из рабочей камеры уплотнившейся тестовой массы и ее повторной загрузки. Повысить качество продукта за счет ликвидации зон непромеса позволит также наличие неравномерного вращения рабочих органов, а следовательно, и продукта [1–8, 12]. Проектирование механизмов, обеспечивающих неравномерное вращение рабочих валов, представляет собой сложную комплексную проблему и зависит от ряда факторов, таких как перерабатываемое сырье, его плотность, форма элементов, взаимодействующих с сырьем. В настоящей работе предлагается в качестве кинематической схемы привода рабочих валов месильной машины использовать кулачково-кулисный механизм, включающий кулачковую группу и группу Ассура второго класса третьего вида [2, 4, 6, 12–18]. При этом следует отметить, что вращательное движение от вала электродвигателя передается на кривошип, несущий двуплечий рычаг, на одном плече которого расположен ролик, размещенный в пазу неподвижно закрепленного кулачка, а на другом сухарь, который находится в пазу кулисы, имеющий ось вращения, совпадающую с осью вращения рабочего вала машины. Цель работы – повышение качества перерабатываемой смеси на горизонтальных смесителях (месильных машинах). Для достижения поставленной цели решались следующие задачи. 1. Разработка методики синтеза привода к рабочим валам машины, включающая: структурный синтез и разработку кинематической схемы механизма; параметрический синтез, заключающийся в выборе основных размеров кулачкового и кулисного механизмов, обеспечивающих неравномерность движения рабочих валов;
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 1 2023 73 EQUIPMENT. INSTRUMENTS определение необходимых и достаточных кинематических характеристик рабочих валов машины. 2. Уточнение качественных характеристик смеси. Методика исследований Основной задачей для достижения поставленной цели является разработка методики синтеза привода валов машины, которая позволяет спроектировать механизм, осуществляющий повышение качества перерабатываемой смеси. Ниже изложены составляющие, входящие в методику в порядке их решения. Первым представлен структурный синтез механизма, обеспечивающий переменную угловую скорость рабочих валов месильной машины. Синтез проводился в следующей последовательности: в качестве первой группы, осуществляющей переменную скорость рабочих валов машины, принята кулачковая группа с неподвижно закрепленным кулачком 1, роликом 2, двуплечим рычагом 3; в качестве второй – принята кулисная группа, несущая сухарь 4, подвижно закрепленный на втором плече рычага 3 и размещенный в пазу кулисы 5 (рис. 1). В связи с тем что в предлагаемой конструкции кулачок является неподвижным, а ось двуплечего рычага перемещается по окружности, синтез такого механизма представляет определенное затруднение. В этой связи для синтеза данного механизма предлагается ввести новую модель, полагая, что кулачок является подвижным, а двуплечий рычаг свободно вращается относительно неподвижной оси (рис. 1). Для проверки существования механизма определим степень его подвижности по формуле Чебышёва [19]. Степень подвижности этого механизма составила W = 2, что говорит о правильности выбора структурной схемы (дополнительная степень подвижности появилась за счет вращения ролика вокруг его оси). Приступая ко второй задаче синтеза, проведем его как параметрический. Полагаем, что для перемещения частиц крошкообразной массы необходимо, чтобы рабочий вал с лопастями мог выстаивать в верхнем положении для создания благоприятных условий при перемещении продукта из верхних слоев вниз. Так как механизм состоит из целого ряда элементов кинематических пар, то выстой необходимо оценивать по последнему звену – кулисе, которая приводит во вращательное движение рабочие валы. Поэтому, принимая за основу ее угол поворота, а также перемещения, скорости и ускорения, можно выбрать тот рациональный вариант, который удовлетворит поставленную цель. Дл я рассматриваемого случая это означает наличие выстоя, плавность и непрерывность кинематических характеристик рабочего вала машины [20–29]. Выбор схемы механизма обусловлен некоторыми уже известными конструктивными решениями привода, например: конструкцией рабочих валов, расположением передач, положением двигателя и конструкцией несущей системы. В связи с тем что по приводу кулачковый механизм является первым по отношению к кулисной группе, синтез начнем с него. В соответствии с работами [25–39] можно принять перемещения центра ролика по циклоиде с ходом толкателя Н = 25 мм; длину коромысла L = 60 мм; угол циклоиды β = 180°. Он был принят исходя из предположения, что период переменной угловой скорости месильных валов должен быть равным половине их полного оборота. В качестве искомых параметров в результате синтеза предлагается определить: минимальный радиус кулачка min, межосевое расстояние a = ОО1; начальный угол ψ0. Рис. 1. Общая структурная схема механизма Fig. 1. General block scheme of the mechanism
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 1 2023 74 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Тогда 1 2 sin , 2 H h (1) где h – текущее значение перемещения; Н – максимальное значение перемещения; φ – текущее Рис. 2. Листинг программы для определения кинематических характеристик кулачкового механизма: v(i) – аналог скорости центра ролика; h(i) –текущее значение перемещения центра ролика; a(i) – дифференциал от v(i); a1(i) – аналог ускорений; i = φ – угол поворота кулачка Fig. 2. Program listing determining the kinematic characteristics of the cam mechanism: v(i) – roller center velocity analogue; h(i) – current value of roller center displacement; a(i) – differential of v(i); a1(i) – acceleration analogue; i = φ – cam rotation angle ( ) : ( ) d v i h i di ; скорости и ускорения: ( ) 0 ( ) : ( ) 2 0 v i if i v i v i if i otherwise ; ( ) : ( ) d a i v i di ; ( ) 0 1( ) : ( ) 2 0 a i if i a i a i if i otherwise . Рис. 3.Аналоги скоростей центра ролика кулачкового механизма Fig. 3. Cam roller center velocity analogs значение угла поворота кулачка; β – угол профиля кулачка, равный 180°. Более подробно данный вопрос представлен в работе [25]. Дифференцируя полученную функцию перемещений, находим кинематические характеристики центра ролика кулачкового механизма (рис. 2). Этот алгоритм синтеза был использован и для дальнейших расчетов, но с изменением некоторых входящих параметров, которые не влияют на программу, но приводят к изменению кинематических характеристик структурных групп. Значения и характер изменения аналогов скоростей показаны на рис. 3. Размер коромысла задан из расчета конструктивных параметров ролика, его оси, а также размеров ступицы. Максимальный угол давления выбран с учетом коэффициента полезного действия всего механизма. Для определения недостающих размеров кулачкового механизма производим разметку положения точки A коромысла 3. Далее на лучах, соединяющих точку O1 и точку A, откладываем отрезки, равные значениям аналогов скоростей в определенные промежутки углов поворота (рис. 4). Разметку производим как для фазы подъема, так и для фазы опускания. В нашем случае приведено 8 значений, которые определили годограф аналогов скоростей точки A механизма. Проведя касательные к точкам A под углом 90° –δmax, получили семейство касательных, образующих заштрихованную область на рис. 4, которая и будет определять положение точки оси для кулачка. На рис. 4 приведена точка пересечения касательных только для случая максимальных аналогов скоростей. Тогда расстояние от точки O до начала траектории движения центра ролика будет равно минимальному радиусу кулачка min = R = 90 мм. Получив основные параметры для кулачкового механизма, можно приступить к синтезу кулисной группы. Параме-
OBRABOTKAMETALLOV Vol. 25 No. 1 2023 75 EQUIPMENT. INSTRUMENTS Рис. 4. К определению недостающих параметров кулачкового механизма Fig. 4. To determine the missing parameters of the cam mechanism трический синтез группы Ассура второго класса третьего вида предлагается начать с определения входных параметров и условий, которые должны быть при этом поставлены. Кинематические характеристики этой группы зависят от размеров коромысла L, угла его расположения по отношению к плечу коромысла кулачковой группы θ, который необходимо определить из условия, что в момент входа сухаря в паз кулисы угол O1BO2 = 90° (см. рис. 1). Приняв размер плеча, на котором расположен сухарь, равным L = 60 мм, определили угол между плечами коромысла θ, для чего необходимо рассмотреть схему механизма, приведенную на рис. 1. Тогда 2 2 2 arccos . 2 a L LA (2) Угол arccos . L a (3) Суммарный угол, определяемый углом разворота плеч коромысла, определится уравнением: . (4) В результате расчетов суммарный угол составил θ = 103°. Угол качания кулисы определится следующим образом: 2 2 1 1 2 cos( ), OB a O B aO B (5) и 2 2 2 1 2 cos( ), O B a OB aOB (6) 2 2 2 1 arccos . 2 a OB O B aOB (7) Таким образом, в результате синтеза механизма были определены основные размеры: межосевое расстояние а = ОО1 = 128 мм; угол размаха коромысла θ = 103°; начальный угол, обеспечивающий вход сухаря в кулису O1BO2 = = 90°; начальный угол кулачкового механизма ψ0 = 47°. Качественные характеристики перемешивания смеси будем определять в соответствии с формулой, приведенной в [40]: 0 , kV e (8) где μ – приведенный угол застойной зоны; μ0 – коэффициент трения смеси о лопасть в статических условиях; e – основание натурального логарифма; k – экспериментальный коэффициент; V – окружная скорость лопасти, которую можно определить согласно уравнению ë 5 sin( ) , V t L (9) где ω – угловая частота вращения кривошипа; Lл – длина лопасти. Результаты и их обсуждение В соответствии с алгоритмом, приведенным на рис. 2, рассчитаны аналоги кинематических характеристик центра ролика для кулачкового механизма (рис. 5). При синтезе кулачкового механизма было рассмотрено несколько таких вариантов. Анализ показал, что выбранные параметры данного механизма влияют главным образом на амплитудные значения кинематических характеристик,
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Том 25 № 1 2023 76 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ но при этом они остаются плавными и непрерывными, без скачков. Поэтому принято решение, что дальнейшие исследования проводить на общей приведенной модели механизма, которая позволит дать оценку синтезу кулачково-кулисного механизма в части выбора его размеров и кинематических характеристик. Предлагаем несколько вариантов синтеза для этого механизма. Для наглядности проанализируем влияние различных параметров на изменения кинематических характеристик выходного звена – кулисы. Вариант 1. Параметры механизма имеют следующие значения: а = OO1= 0,128 м; величина минимального радиуса кулачка ρmin = 0,09 м; Рис. 6. График изменения численных значений радиусов-векторов при ρmin = 90 мм: ρ –значения радиусов-векторов кулачка; φ – углы поворота кулачка Fig. 6. Graph of the change in the numerical values of the radius vectors at ρmin = 90 mm: ρ – cam radius vector values; φ – cam rotation angles плечи L = О1А = О1B = 0,06 м; угол размаха коромысла θ =103°. В этом случае изменения теоретических значений радиусов-векторов кулачка показаны на графике (рис. 6). Характер изменения угла качания для кулисы представлен на рис. 7, аналог угловых ускорений – на рис. 8. Как видно из графиков, изображенных на рис. 7 и 8, углы качания и ускорения имеют гладкие и непрерывные функции без осцилляций. На рис. 7 и 8 наблюдаются выстои в начале и конце графиков. Суммарная величина их составляет около 80°. Вариант 2. Проведем изменение одного размера звена механизма. Для этого примем мини- а б Рис. 5. Кинематические характеристики центра ролика кулачкового механизма: а – перемещения; б – ускорения Fig. 5. Kinematic characteristics of the center of the roller for the cam mechanism: a – displacement; б – acceleration
RkJQdWJsaXNoZXIy MTk0ODM1