аспирант
Белгород, Белгородская область, Россия
Белгород, Белгородская область, Россия
ГРНТИ 55.01 Общие вопросы машиностроения
ББК 347 Технология производства оборудования отраслевого назначения
Восстановительная обработка крупногабаритных деталей вращающихся технологических агрегатов, к которым относятся бандажи и ролики обжиговых печей, в настоящее время выполняется с использованием встраиваемых станочных модулей. При этом периодическая обработка ведется в процессе работы агрегата без его остановки. Такая обработка требует особых технических и технологических подходов. Это связано не только с большими габаритами самих деталей, но и с непостоянством положения оси вращающейся детали, установленной на два опорных ролика и имеющей погрешность формы в поперечном сечении. Используемые технологии характеризуются недостаточной изученностью процесса формирования поверхности при механической обработке и произвольно задаваемыми режимами обработки. Актуальной задачей является разработка методик для поиска рациональных режимов, при которых будет обеспечиваться требуемая точность и производительность обработки. Особое место при этом занимают вопросы моделирования обработки для поиска оптимальных технологических режимов с учетом технических и физико-механических особенностей процесса. Разработка адекватных математических моделей при этом требует глубокого анализа функциональных особенностей оборудования и технологических особенностей процесса. Установлено, что для оптимизации режимов обработки необходимо ввести ряд ограничений, связанных с инструментом, приводом подач, жесткостью технологической системы, качеством обработки. При этом в качестве целевой функции используется производительность обработки, а в качестве варьируемых параметров глубина и подача.
моделирование обработки, крупногабаритные детали, мобильное оборудование, технологические параметры, оптимизация.
Введение. В современной индустрии применяются вращающиеся технологические агрегаты, непрерывного производственного цикла. К таким агрегатам относятся вращающиеся печи. Они используются в цементной, металлургической, силикатной и химической, сахарной и пищевой промышленностях, а также для утилизации отходов [1, 2]. В конструкциях вращающихся печей особое внимание уделяется прямолинейности оси вращения, настройка которой во многом зависит от точности формы деталей опор – бандажей и опорных роликов [3]. Так как в процессе эксплуатации вследствие высоких динамических и термических нагрузок происходит потеря точности формы как корпуса печи [4], так и поверхностей качения деталей опор, то возникает необходимость их периодической обработки с целью восстановления требуемой точности. В настоящее время для периодической обработки поверхностей качения в технологических агрегатах по производству строительных материалов, таких как сушильные барабаны, вращающиеся печи и т.п., широко применяют технологии с использованием мобильного оборудования. Это позволяет восстановить их форму без остановки основного производственного процесса, что существенно влияет на технологичность процесса. При реализации известных схем обработки с использованием существующих образцов оборудования [5, 6, 7, 8, 9] глубина резания обеспечивается настройкой вылета режущего инструмента. Однако данный технологический параметр на различных участках обрабатываемой поверхности может существенно отличаться даже в процессе выполнения одного рабочего хода. В силу таких особенностей используемые технологические процессы, основанные на применении как лезвийной, так и абразивной обработки, не всегда позволяют обеспечивать требуемую точность поверхностей, особенно на поверхностях качения бандажей. Основной причиной здесь является недостаточная изученность процесса формирования поверхностей при обработке и произвольно задаваемые режимы обработки. С учетом этого актуальной задачей является разработка методик поиска рациональных режимов, при которых будет обеспечиваться требуемая точность и производительность обработки. Наиболее применяемым видом мобильного оборудования для лезвийной обработки поверхностей качения бандажей и опорных роликов, является универсальный встраиваемый станок УВС-01М [9], разработанный на кафедре технологии машиностроения Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова, элементы конструкции которого защищены патентами [5, 6].
Станок имеет опорные стойки, в которые установлена направляющая, несущая продольный и поперечный суппорта и оснащается приводом продольных подач (рис. 1).
Рис. 1. Универсальный встраиваемый станок УВС-01М
Для установки станка на различные конструкции восстанавливаемых опор, применяют сменные технологические наладки, соответствующие конструктивным особенностям этих опор (рис. 2), и как бы встраивается в саму конструкцию опоры.
Наличие таких сменных технологических наладок позволяет обеспечить возможность применения станка модели УВС-01М на различных типоразмерах опор восстанавливаемых агрегатов, обеспечивая тем самым его универсальность.
Рис. 2. Конструкции сменных технологических наладок для установки станка на корпуса подшипников
Основная часть. Использование такого технологического подхода с использованием мобильных станочных модулей и специальной технологической оснастки позволяет выполнить восстановительную обработку бандажей и роликом практически всех типоразмеров существующих опор. Однако, следует отметить, что различные технологические агрегаты имея широкий спектр типоразмеров, могут осуществлять еще и вращение с различной частотой. Так как основным движением для условий обработки поверхностей качения будет являться вращение самого агрегата, то очевидно, и линейная скорость на различных типоразмерах агрегатов окажется различной. Например, для ряда типоразмеров вращающихся печей, линейная скорость вращения, а, следовательно, и скорость резания, будет иметь следующие значения: = 11,62; 12,25; 13,53; 15,23; 17,17; 19,15; 21,35; 26,53 м/мин. Процесс обработки поверхностей, с учетом их размеров и небольших скоростей, требует значительных затрат времени. Поэтому в качестве целевой функции следует выбрать производительность обработки. А в качестве варьируемых параметров: глубину резания и подачу. Для условий оптимизации режимов обработки поверхностей качения следует ввести ряд технических ограничений: по стойкости режущего инструмента; по допустимой силе резания, определяемой тяговой силой привода подач; по минимальной и максимальной величине продольной подачи по характеристике привода подач; по минимальной и максимальной величине снимаемого за рабочий ход припуска, определяемого условиями формообразования для бесцентровой схемы обработки бандажа; по минимальной и максимальной величине снимаемого за один рабочий ход припуска, определяющего точность обрабатываемой поверхности в продольном сечении; по допустимой прочности режущего инструмента; по жесткости режущего инструмента; по прочности механизма подач; по допустимой шероховатости обрабатываемой поверхности. Далее приведены обоснования и расчетные зависимости для рассматриваемых ограничений.
Ограничение по требуемой стойкости инструмента. Связь варьируемых параметров с периодом стойкости инструмента, можно получить из следующей зависимости [10]:
, (1)
где ,
,
,
,
– табличные значения для условий наружного продольного точения инструментом, оснащаемым твердосплавной пластиной; Т – требуемый период стойкости инструмента, мин.
Табличное значение периода стойкости, при скорости резания – 150 м/мин, для токарных резцов составляет 60 мин. При таких условиях, путь резания составит – 9000 м. Для условий обработки бандажей и роликов мобильным оборудованием, при скорости резания – 20 м/мин, чтобы резец прошел путь резания – 9000 м, потребуется 450 мин. С учетом преобразований, получаем техническое ограничение в виде:
(2)
Логарифмируя это выражение получим:
(3)
И, приняв ,
,
, получаем техническое ограничение, приведенное к линейному виду:
(4)
Ограничение по допустимой силе резания, определяемой тяговой силой привода подач. Для установления связи допустимой тяговой силы с варьируемыми параметрами, воспользуемся следующей зависимостью [10]:
, (5)
где ,
,
,
,
– табличные значения коэффициентов, для условий обработки поверхностей качения.
После преобразований и логарифмирования, получаем:
(6)
Производя соответствующие замены, получаем:
(7)
Ограничение по минимальной и максимальной величине продольной подачи зависящее от характеристик привода подач. Это ограничение будет определяться характеристиками самого привода продольных подач, т.е.
,
(8)
Ограничение по минимальной и максимальной величине припуска, снимаемого за рабочий ход, определяемого условиями формообразования для бесцентровой схемы обработки бандажа. Для условий бесцентровой обработки поверхностей качения бандажей, глубина резания будет оказывать существенное влияние на процесс формообразования [11]. При неправильном задании величины снимаемого припуска, возможно даже дальнейшее искажения профиля, а не его исправление. Поэтому на каждый рабочий ход должна задаваться требуемая величина снимаемого припуска, которую мы можем получить по результатам предварительного моделирования процесса формообразования. Такое ограничение по минимальной и максимальной величине припуска, мы можем задать так же в виде двух неравенств:
,
(9)
Ограничение по максимально допустимой величине припуска, снимаемого за один рабочий ход, определяющего точность обрабатываемой поверхности в продольном сечении будет также зависеть от величины отжатий в технологической системе. Для условий технологической системы с применением мобильного оборудования, максимальное влияние на величину отжатий, будет оказывать жесткость элементов самого применяемого станка. Таким образом, для определения максимальной и минимальной глубины резания и подачи, которые обеспечат точность формы в продольном сечении, в пределах допусков, мы можем применить предварительное моделирование напряженно деформированного состояния элементов технологической системы с применением метода конечных элементов в CAE приложениях [12].
Ограничение по минимально и максимально допустимой величине подачи, определяемой характеристиками привода продольных подач станка УВС-01. Данное ограничение также можно представить в виде двух неравенств:
,
(10)
Ограничение по прочности режущего инструмента. Это ограничение мы можем получить из зависимости по определению предела прочности материала державки резца, на изгиб:
(11)
где – величина изгибающего момента при вылете резца –
мм,
;
– коэффициент запаса прочности; W – момент сопротивления державки резца, мм3 (для прямоугольного сечения державки резца, шириной
мм и высотой
мм,
). После соответствующих подстановок и преобразований, получаем:
(12)
Логарифмируя и производя соответствующие замены, получаем следующее техническое ограничение:
(13)
Ограничение по жесткости инструмента. Это ограничение устанавливает взаимосвязь между глубиной резания, подачей и жесткостью режущего инструмента. Максимальная нагрузка, допускаемая жесткостью резца, может быть определена по известной зависимости [13]:
(13)
где мм – допустимая стрела прогиба для чернового точения, мм;
; I – момент инерции сечения державки резца, мм4 (для прямоугольного сечения державки шириной
мм и высотой
мм
).
Из условия соотношения окружной составляющей Рz и максимальной нагрузки, допускаемой жесткостью резца, имеем:
, (14)
, (15)
(16)
Ограничение по допустимой шероховатости поверхности. Это ограничение устанавливает взаимосвязь между варьируемыми параметрами и шероховатостью поверхности [10]. Ожидаемую шероховатость поверхности мы можем вычислить по следующей зависимости:
, (17)
где ,
,
мм – параметры геометрии режущей части инструмента;
– твердость обрабатываемой поверхности.
После соответствующих преобразований выражения, с учетом обеспечения требуемого параметра шероховатости, получаем:
(18)
После соответствующей замены, получим:
(19)
Представление полученных ограничений в виде системы неравенств, в совокупности с оценочной функцией, дает математическую модель процесса лезвийной обработки бандажей и роликов вращающихся печей.
(20)
Задача определения оптимальных параметров технологической системы сводится к отысканию среди всех возможных неотрицательных значений и
системы таких значений
и
, при которых линейная функция принимает максимальное значение (
). После определения координат
и
можно вычислить и оптимальные значения варьируемых параметров:
, (21)
(22)
Выводы: Полученная модель, позволяет определять оптимальные значения технологических параметров для условий бесцентровой лезвийной обработки крупногабаритных деталей, базирующихся на два опорных ролика непосредственно на работающих агрегатах, на основе применения встраиваемых станочных модулей. Используемые в модели зависимости учитывают основные значимые факторы, которые будут оказывать наиболее существенное влияние на качество поверхности для рассматриваемых условий обработки. Применение такой модели возможно, как на этапе проектирования элементов обрабатывающего оборудования и технологической оснастки, так и на этапе реализации восстановительной обработки для настройки технологических параметров оборудования и управления технологическими режимами при многопроходной обработке. Принципиальный подход к построению модели позволяет адаптировать её также для условий других видов обработки резанием, например, для шлифования, применяемого на чистовых операциях восстановительной обработки.
1. Vijayan S.N., Sendhilkumar S. Industrial Applications of Rotary Kiln in Various Sectors - A Review // International Journal of Engineering Innovation & Research. 2014. Vol. 3. Pp. 342-345.
2. Boateng A.A. Rotary Kilns. Elsevier Inc. Publ., 2015, 390 p.
3. Mogilny S., Sholomitskii A. Precision Analysis of Geometric Parameters for Rotating Machines during Cold Alignmen // Procedia Engineering. Vol. 206. 2017. Pp. 1709-1715.
4. Ramanenka D., Stjernberg J., Jonsén P.. FEM investigation of global mechanisms affecting brick lining stability in a rotary kiln in cold state // Engineering Failure Analysis. 2016. Vol. 59. Pp. 554-569.
5. Шрубченко И.В, Мурыгина Л.В., Рыбалко В.Ю. Станок для обработки бандажей. Пат. № 125499, Российская Федерация, опубл. 10.03.2013.
6. Санин С.Н., Бондаренко В.Н., Погонин А.А. Следящий суппорт. Пат. № 58420, Российская Федерация, МПК B23Q1/76 (2006.01). опубл. 27.11.2006.
7. Шрубченко И.В., Мурыгина Л.В., Рыбалко В.Ю., Черняев А.С. Станок для обработки бандажей и роликов. Пат. № 118235, Российская Федерация, МПК B23B 5/00 (2006.01), опубл. 20.07.2012.
8. Санин С.Н., Оникиенко Д.А. Разработка концепции мобильного стенда для механической обработки бандажей вращающихся печей с базированием по торцовой поверхности и отверстию // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2016. № 2. С. 104-109.
9. Универсальный встраиваемый станок УВС-01 / Федеральный каталог высокотехнологичного оборудования и объектов научного потенциала России. [Электронный ресурс]. Режим доступа: URL: https://каталог-нп.рф/project/281.
10. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. Т. 1. Под ред. А.М. Дальского, А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова, А.Г. Суслова. 5-е изд., перераб. и доп. М.: Машиностроение-1, 2001. 912 с.
11. Тимофеев С.П., Хуртасенко В.А., Шрубченко И.В. Расчет глубины резания при обработке поверхностей крупногабаритных деталей с нестационарной осью вращения // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2018. № 2. С. 68-74.
12. Гончаров М.С., Шрубченко И.В., Мурыгина Л.В., Щетинин Н.А. Моделирование технологической системы мобильного оборудования // Наукоемкие технологии инновации (XXI Научные чтения): Междунар. науч.-практ. конф., (Белгород, 9-10 октября 2014 г.) Изд-во БГТУ, 2014, Ч.4. С. 223-228
13. Справочник конструктора-инструментальщика: Под общ. ред. В.И. Баранчикова. М.: Машиностроение, 1994. 560 с.
