автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.04, диссертация на тему:Циклическое ударно-фрикционное взаимодействие чеканочного инструмента с монетной заготовкой

Орлов Сергей Васильевич

ЦИКЛИЧЕСКОЕ УДАРНО-ФРИКЦИОННОЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ ЧЕКАНОЧНОГО ИНСТРУМЕНТА С МОНЕТНОЙ ЗАГОТОВКОЙ

Специальность 05 02 04 - Трение и износ в машинах

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург

□031Т4862

003174862

Работа выполнена в Государственном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики»

Научный руководитель доктор технических наук,

профессор Мусалимов Виктор Михайлович

Официальные оппоненты доктор технических наук

Фадин Юрий Александрович

кандидат технических наук, доцент Алексеев Александр Александрович

Ведущая организация Санкт-Петербургский Государственный

Политехнический университет

Защита состоится в 17-00 часов «15» ноября 2007г

На заседании диссертационного совета Д 002 075 01 при Институте

проблем машиноведения РАН по адресу

199178,Санкг-Петербург, Большой пр В О , д 61

Автореферат разослан «$» октября 2007г

Отзывы и замечания (в 2 экз) по автореферату направлять в адрес института 199178, Санкт-Петербург, Большой пр В О , д 61, ученому секретарю диссертационного совета.

Ученый секретарь ____ / V доктор технических наук

диссертационного совета —^ Дубаренко Владимир

I-—- " Васильевич

Общая характеристика работы

Актуальность темы

Предметом исследований диссертационной работы является анализ особенностей процессов, происходящих на поверхности чеканочного инструмента при чеканке монет, изучение закономерностей эволюции рельефа поверхности инструмента, инициированных граничным течением материала заготовки монет, разработка методов ускоренного экспериментального моделирования процесса чеканки с целью удешевления натурного эксперимента в производственных условиях

Чеканка представляет операцию, при которой происходит образование выпукло-вогнутого рельефа на поверхности изделий за счет местного изменения толщины материала и заполнения им рельефной полости чеканочного инструмента Именно многократно повторяющийся процесс заполнения полостей инструмента является причиной деградации рельефа его поверхности

Описание процесса деградации рельефа поверхности чеканочного инструмента, связано с определенными трудностями Они обусловлены не только сложностью самого процесса, но и неоднозначным использованием понятия «деградация» Так, с одной стороны, деградацию можно определить как процесс изнашивания с использованием при этом известных схем классификаций износа по типу относительного движения или по типу механизма образования износа С другой стороны, деградацию рельефа можно определить как эволюцию топографии поверхности И во всех случаях заключение о предельной степени деградации основывается на изучении внешнего вида поверхности, вердикт о качестве которой дает эксперт

С точки зрения механики контактного взаимодействия задача ставится так оценить деградацию рельефа поверхности чеканочного инструмента в зависимости от количества циклов его взаимодействия с монетной заготовкой При этом степень деградации рельефа не обязательно коррелирует со степенью объемного накопления повреждений в самом инструменте Подобным образом сформулированная задача близка к задачам об оценке трения при ударе

В настоящее время получено множество теоретических и экспериментальных сведений о процессах изнашивания материала при ударе (Engel Р А , Чихос X , Браун Э Д , Гриб В В , Горячева ИГ) Проблема состоит в том, чтобы изучить закономерности изнашивания поверхности «жесткого» штампа, а не

закономерности деформирования металла при штамповке Последнему направлению посвящено намного больше работ (это, например, работы Соколовского В В , Романовского В П, Сторожева М В и других)

С точки зрения производства задача чрезвычайно конкретизируется разработать методику оперативной оценки качества изображения рельефа, позволяющую минимизировать использование для этих целей эксперта-человека Исключительно важным при этом является установление механизма деградации рельефа поверхности и использование полученных закономерностей в целях повышения стойкости к деградации рельефа поверхности чеканочного инструмента Решение этих проблем связано с повышением эффективности чеканочного производства и определяет актуальность работы

Целью работы является экспериментально-теоретическое исследование процесса деградации рельефа поверхности чеканочного инструмента, разработка метода оперативной оценки качества рельефа его поверхности, разработка метода моделирования процесса чеканки на базе трибометрической системы

Для достижения этой цели были поставлены и решены следующие задачи:

• Разработать экспериментальный метод моделирования процесса чеканки

• Оценить степень деградации рельефа поверхности в зависимости от количества циклов контактных взаимодействий чеканочного инструмента с монетной заготовкой

• Разработать методику оперативной оценки качества изображения рельефа поверхности

Методы исследования

В качестве основных экспериментальных методов исследования использовались оптические и контактные методы оценки качества поверхностей, трибометрическая система для моделирования процессов трибологического взаимодействия, основы системного анализа в трибонике, классические подходы теории систем автоматического регулирования совместно с методами идентификации динамических систем и теории катастроф

Научная новизна работы состоит в следующем

• Впервые разработан метод оценки степени деградации рельефа поверхности чеканочного инструмента на основе использования лазерного сканера.

• Разработан метод ускоренного экспериментального моделирования процеса ударно-фрикционного взаимодействия.

• Разработана методика оперативной оценки качества рельефа поверхности

Основные положения, выносимые на защиту:

• Метод экспериментально-аналитической оценки деградации рельефа поверхности чеканочного инструмента.

• Метод ускоренного экспериментального моделирования ударно-фрикционного взаимодействия

• Методика оперативной оценки качества изображения рельефа поверхности

Практическая значимость работы

Установленные закономерности деградации рельефа поверхности чеканочного инструмента являются исключительно важными для понимания процессов взаимодействия твердых тел Они могут быть использованы для повышения эффективности чеканочного производства Методика оперативной оценки параметров рельефа поверхности позволяет автоматизировать процесс контроля качества массовой монетной продукции.

По результатам работы получены патенты РФ Результаты работы внедрены на монетных дворах ФГУП «ГОЗНАК»

Апробация работы

Работа выполнена на кафедре мехатроники Санкт-Петербургского государственного университета информационных технологий, механики и оптики

Основные положения диссертационной работы докладывались, обсуждались и получили положительную оценку на 11 конференциях, в том числе на Международном конгрессе по теоретической и прикладной механике (Варшава, Польша, 2004г), на девятом Всероссийском съезде по теоретической и прикладной механике (Нижний Новгород, 2006г), на седьмой и восьмой сессиях международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов» (Санкт-Петербург, 2005г, 2007г), на Международной конференции «Интеллектуальные системы» АК'Об (Геледжик, 2006 г), на Международной конференции «Водяной знак» (Санкт-Петербург, 2005 г), на Всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии в металлургии, химии, обогащении и экологии» (Санкт-Петербург, 2004г), на 14-й Всероссийской нумизматической конференции (Санкт-Петербург, 2007г) Полное содержание диссертации обсуждалось на расширенном заседании кафедры мехатроники

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 17 печатных работ, в том числе в журнале «Металлообработка», тематических выпусках научно-технического вестника СПбГУИТМО, материалах указанных конференций

Структура и объем работы

Диссертационная работа изложена на 119 страницах и состоит из введения, четырех глав, заключения и списка литературы (70 наименований), а также включает приложения (42 страницы), 44 рисунка и 12 таблиц

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы и приводится общая характеристика работы

В первой главе дается описание современной технологии чеканки монет, обращается внимание на ее особенности.

На рис 1 представлена схема чеканки монеты. Верхний и нижний штампы (штемпели, инструмент) изготавливают из сталей повышенной твердости до 200 НВ, гарантирующих стойкость до 600 тысяч циклов-ударов.

Рис 1 Схема закрытой чеканки, где 1- штемпель верхний, 2-штемпель нижний, 3-кольцо печатное, 4-монета

Типичная циклограмма нагружения штемпелей, представленная на рис 2а, имеет три фазы

а

Реализация первой создает на поверхностях инструмента касательные напряжения X, реализация второй (выстой) формирует нормальные напряжения а. Наконец, третья (разгрузка) создает касательные напряжения Т, обратные по знаку касательным напряжениям в первой фазе (смотри рис.3).

777Т777"

Г\

"1 7 ЧУ

\Vlln-'

ш

хг*

Рис.3 Фазы формирования касательных напряжений на поверхности инструмента

Процесс формирования рельефа поверхности монетной заготовки можно рассмотреть с точки зрения пластических процессов в его материале. Альтернативный подход к описанию процессов течения материалов состоит в использовании закономерностей вязкоупругих моделей, например, Максвелла, Фойгта, Бингама. Любой из подходов позволяет получить значения касательных напряжений на контактной поверхности чеканочного инструмента.

хз

Рис 4 Расчетная схема задачи

На рис 4 представлена упрощенная расчетная схема задачи для определения предельных напряжений при сдавливании заготовки из

упруго-идеально пластического материала при условии С5 22 = О, Е 33= 0. Материал подчиняется критерию текучести Мизеса

(с, -с2) 2+(с2.с3)2 +(о3 - о ,)2 =2ст2 (1)

где О], а 2, о з - главные напряжения,

от - предел текучести

Решение задачи дает значения предельных напряжений

о„ = - . т (2)

\l-V-y2

и предельных деформаций

. <7га-у2>

р = _ 1_

йп I —>

где V - коэффициент Пуассона

(3)

Из уравнения равновесия

да 2 Г

" .+ -= 0 (4)

д X

1

где Тц — значение контактных касательных напряжений,

И — толщина монетной заготовки, получено усредненное значение предельных контактных касательных напряжений

ь <7

Т (5)

я £2

\l-v-v

и сил касательных сопротивлений

с а

кП1г±—-1--( 6 )

6 А 2

у1 — V — V где Э - диаметр монетной заготовки

В данной главе показано, как формируется составляющая фрикционного взаимодействия поверхности инструмента и граничного течения материала заготовки при чеканке за счет особенностей циклограммы нагружения

Во второй главе приводится методика и результаты исследования деградации поверхности рельефа чеканочного инструмента Именно степень деградации определяет стойкость контактной поверхности В качестве инструментальной базы исследования степени деградации рельефа (стойкости штемпеля) были использованы лазерная сканирующая установка и контактный профилометр

На рис 5 представлены наиболее характерные области, на которых прослеживается эволюция рельефа поверхности (после 20 и 60-ти тысяч циклов соответственно «20» , «60»)

20 60

Рис.5 Исследуемая область штемпелей, отработавших заданное количество циклов.

При анализе результатов были использованы возможности ППП Ма11аЬ для вычисления статистических характеристик.

Кроме того, были проведены оценки деградации с помощью оптических цифровых камер. При этом были получены матрицы изображений, качество которых оценивалось с использованием норм матриц. Рассчитана евклидова норма, результаты вычислений приведены в табл. 1.

Таблица 1

Критерии оценки степени деградации

Наименование нормы Определение Числовое значение

50 тыс. 130 тыс. 210 тыс.

Евклидова ии=ЁК1 V 1 ! 2.27 хЮ4 2.345 хЮ4 / 3 2.435 хЮ4 / 7

Приведенные оценки позволяют судить о количественном изменении рельефа профиля поверхности. Так при 130 тысячах циклов изменение (относительно 50 тыс. циклов) составило 66%, а при 210 тыс.циклов составило 93%.

Таким образом, вводится определение предельной степени деградации, которое принимается равным Б = 95%. Эти оценки впервые приведены автором совместно с Воронцовым Е.А., данные цифровой экспертной системы принимаются за эталон. В рамках этого эталона лазерный сканер дает те же значения. Использование лазера экономически выгоднее за счет быстрой скорости трассирования.

В третьей главе показано, что процесс циклического ударно-фрикционного взаимодействия аналогичен процессу циклического фрикционного взаимодействия трущихся поверхностей. При этом в качестве экспериментальной базы выбрана установка «Трибал», представленная на рис 6

Рис 6 Схема устройства для определения трибологических характеристик трущихся элементов конструкций

с составляющими 1 - основание, 2 - направляющие, 3 - ползун (платформа), 4 - держатель образца 5, 7 - держатель образца 6, 8и 9 -щупы, 10 нагрузочная площадка, 11и 12 - датчики-индикаторы, 13 -стойка, 14 - винтовой домкрат, 15 - стойка, 16 - динамометр 17 — двигатель, 18 - кривошипно-ползунный механизм, 19 - двигатель, 20 -персональный компьютер, 21 - платформа (тележка на четырех колесах), 22 - шарикоподшипники

Требуемая закономерность движения нижней платформы осуществляется с помощью кулачкового привода вместо кривошипно-ползунного Таким образом достигается аналогия между законом движения хода инструмента и(() и законом движения нижней платформы и(() и(0 ~ [/(У .

Установлена также аналогия между эволюцией выходного сигнала у(1) и циклическими микроперемещениями материала заготовки

у(1) у(г) ~ У (г) В свою очередь, эволюция сигнала у(() связана с эволюцией параметров шероховатости поверхности определяющей ее качество

На рис 7 представлена схема моделирования одностороннего процесса чеканки

0<ема установки

'л ч?

Принятая схема трибологическогоузла

"Зг

ту —ту

* f / S .х

Моделирование привода гармоническое идеальное ударно-фрикционное реальное ударно-фрикционное

f V.

Рис 7 Моделирование одностороннего процесса чеканки

Известные ученые Пановко ЯГ, Р Angel и другие внесли большой вклад в теорию удара Однако, проблема исследования удара с выстоем, а тем более вопросы эквивалентного его моделирования были не затронуты В данной главе было показано, каким образом осуществляется моделирование, целесообразность которого состоит в том, чтобы, с одной стороны, обеспечить ускоренные испытания соответствующих контрпар, и, с другой стороны, исключить дорогостоящий производственный натурный эксперимент

В четвертой главе приведены результаты исследований, проведенных на установке В процессе эксперимента на трибопарах, выполненных из материала штемпеля и материала монетной заготовки, на установке «Трибал» параллельно снимались профилограммы трущихся поверхностей с помощью профилографа и устанавливалась корреляция «динамические характеристики - качество трущихся поверхностей»

На рис 8 представлен алгоритм получения и анализа экспериментальных данных ____

Динамические ха ра ктв ри сти ки

, 1 из-Е:

Роэ1п(\лЛ)

О

Шероховатость

О

Трибал-2

ПросрилограО

О

О

Регулярное (через определенное время) размыкание контакта трибопары для смятия профилограмм

Сопоставление динамических характеристик и профилограмм

Устаноаление соответствия (по времени) определенных характеристик и профилограмм

Рис 8 Алгоритм получения и анализа экспериментальных данных

На рис.9 изображены полученные закономерности изменения коэффициентов демпфирования и частоты собственных колебаний в функции времени для пары «сталь ШХ15 - латунь»

Рис 9 Анализ динамических характеристик

Из рис 9 видно, что изменение коэффициента демпфирования и частоты собственных колебаний, полученные в результате идентификации динамической системы «Узел трения», в определенной степени представляют собой конкурирующие процессы

(закономерности) Это позволило воспользоваться аппаратом теории

катастроф и представить силу трения, действующую в исследуемом узле, в виде

Fн =[т(х-у)2-Л](х-у% (7)

где х - скорость микроперемещения материала заготовки, у - скорость хода штемпеля, X -микроперемещение, у -ход штемпеля,

Я , ш - трибометрические параметры,

Полученное выражение для нелинейной силы трения было установлено с использованием катастрофы сборки Гилмор Р проводил подобные исследования для одномерного случая. Следует отметить, что использование подобной силы трения в динамических системах дает возможность смоделировать осциллятор Ван-дер-Поля

Значение параметра X = п2 - от, где п -коэффициент демпфирования, со-частота собственных колебаний модельного узла трения, ш~10"2

Следует отметить, что значение величины Р из формулы (6) является верхней границей для Р„ формулы (7)

Динамическая система «Узел трения» с учетом формулы (7) моделируется системой нелинейных уравнений

щу= - Рн + (*>/('.р) -У) (8)

где тх -масса штемпеля, т2 - масса перемещаемого граничного слоя, Сх - тангенс угла переходного процесса циклограммы, С2 -модуль упругости материала монетной заготовки, у0 - амплитуда хода штемпеля, р - частота кинематического возбуждения (частота - число ходов штемпеля в единицу времени )

4

3

ф 2

X 1

<г>

3 Г)

Ф

£

Ф

П

<!>

С

•3

.4

й

Ьг

•X

а

Время I

1.5

ф

Ф об

3"

ф

I О ф

а. ф

С -05

V

20

Время I

Модельные расчеты

X

19

10

и

о & *

О

10

Ю

В

......—1 '—г

1...........)

;..........■>

.....

»

Время I

40

О

40

-------- ....

н мм

1

* .........

20

Время{

ё

8

о

!

Перемещение х

40

Перемещение у

р=3 Хо=0.1 х2о=0

П11=3 ш2=10 х30=0.1

С1=1 Х=-5 Х40=0

с2=1 хю=0

Рис 10

Результаты моделирования приведены на рис 10 Верхний ряд рисунков представляет последовательно входные законы перемещения, скорости и фазовый портрет, а нижний ряд - выходные закономерности

Сравнивая максимальные значения амплитуд колебания входного и выходного сигналов (перемещений, изменяющихся во времени), оцениваем энергетические потери в узле трения Кроме того, полученные закономерности характеризуют релаксационные колебания, а фазовые портреты представляют собой типичные устойчивые предельные циклы с особенностями, присущими осцилляторам Ван-дер-Поля Так, здесь чередуются медленные движения (направление движения фазовой точки вдоль горизонтали) и быстрые - вертикальное направление движения С точки зрения моделирования циклического ударно-фрикционного взаимодействия, здесь речь идет об адекватном моделировании самого процесса чеканки медленные движения - это выстой, а быстрые движения - это смыкание и размыкание чеканочной пары (боковые стороны трапеции циклограммы) И, наконец, устойчивые предельные циклы характеризуют процесс автоколебаний, который естественен для процесса чеканки

Основные выводы и результаты работы:

1 Разработан метод ускоренного моделирования циклического ударно-фрикционного взаимодействия, позволяющий обеспечивать подбор материалов для инструмента с минимальными экономическими затратами.

2 Показано, что при ударно-фрикционном взаимодействии в узле «штемпель - монетная заготовка» действуют нелинейные силы трения, зависящие от трибологических параметров Предложенная модель ударно-фрикционного взаимодействия описывает автоколебания, характерные для процесса чеканки

3 Установлена корреляция «динамические характеристики -качество поверхности»

4 Предложен и внедрен метод оперативной оценки степени деградации рельефа поверхности чеканочного инструмента с использованием лазерного сканера

5 Предложен критерий степени деградации рельефа чеканочного инструмента, основанный на использовании норм матриц цифрового изображения Этот критерий стал основой создания нормативных документов по оценке качества изображений на монетном производстве и эталоном для оценок, полученных с помощью лазерного сканера

Публикации:

Мусалимов В.М., Орлов С В., Сысоев И А. Оценка деградации изображения на поверхности чеканного инструмента Металлообработка №2/2006 с 32-35

Воронцов Е А , Мусалимов Е А , Орлов С В Алгоритмы и технические средства оценки зрительного восприятия изображений и их приложения Программа и тезисы докладов Седьмой сессии международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов », С-Пб, 24-28 октября 2005 г/СПб СПбГУ ИТМО,2005,с 111

Воронцов Е А , Мусалимов В М , Орлов С В , Сапожков М А Динамика, мониторинг и визуализация фрикционного взаимодействия Девятый Всероссийский съезд по теоретической и прикладной механике, нижний Новгород,2006 г ,т 3 ,с 62 Воронцов Е.А, Мусалимов В М, Орлов С В Оперативная экспертная система оценки качества продукции чеканного производства Материалы международной конференции «Интеллектуальные системы» АШ'Об, Геленджик,2006г ,т 1, с 181-189

Ершов Д В , Орлов С В Исследование процесса трения при ударе и задача оптимизации чеканки монет Программа и доклады Восьмой сессии международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов », С-Пб, 22-27 октября 2007 г/СПб ИПМАШ РАН,2007,с. 153-157.

Ершов Д В, Орлов С В, Король Д В. Использование трибометрической системы «Трибал» для имитации процесса чеканки Программа и доклады Восьмой сессии международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов », С-Пб, 22-27 октября 2007 г/СПб ИПМАШ РАН,2007,с 158-161 Орлов С В, Иванов А Ю Оценка касательных усилий на контактной плоскости Программа и доклады Восьмой сессии международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов », С-Пб, 22-27 октября 2007 г/СПб ИПМАШ РАН,2007,с 161-163

Орлов С В Экологическая стратегия Монетного двора НПЖ «Экология производства», №6, 2005г, с 60-63

9 Орлов С В Долговечность штемпелей Материалы XXXIII научной и учебно-методической конференции СПбГУ ИТМО, 2004 г., с 43-45

10 Орлов С В Проблемы стойкости штампов для чеканки изделий в условиях массового производства. Труды VI сессии международной научной школы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности и диагностики машин и механизмов », СПбГУ ИТМО 2003г с 91-96

11 Орлов С В , Сапожков М А Трибометрическая система. Сборник трудов Второй Всероссийской научно-практической конференции «Мехатроника, автоматизация, управление», Уфа 2005г, том 2, с 314-319

12 Орлов С В Новые технологии в производстве монет Материалы научно-практической конференции «Watermark», СПб, 2005г ,с 14-17

13 Орлов С В Особенности плавки серебра для монет высшего качества Материалы Всероссийской научно-практической конференции «Новые технологии в металлургии, химии, обогащении и экологии», СПб, 2004г, с 9

14 Орлов С В «Информационно-мехатронные технологии при производстве массовой продукции монетного двора», Материалы III Межвузовской конференции молодых ученых, СПБ, 2006г, с 73.

15 Орлов СВ. «Монетный двор - лицо государства» Review inflight, №12,2004г, с.62-63

16 Musalimov V, Lisitsin Y, Orlov S. Dynamic characteristics and monitoring of rubbing surfaces quahty.21 international congress of theoretical and applied mechanics Warsaw.2004, с 114

17 Орлов С В Защитные технологии в монетном производстве Материалы 14 Всероссийской нумизматической конференции С-Петербург, 2007г с 264-266

Формат 60 х 84 1 \16 Бумага офсетная Печать офсетная Тираж 50 экз Заказ №41

ОДО, Санкт-Петербургский монетный двор Гознака 197046, Санкт-Петербург, Петропавловская крепость дом 6