Россия
На предприятиях строительных материалов используется различное крупногабаритное технологическое оборудование, которое в процессе эксплуатации подвергается различным видам ремонта, требующих применения соответствующей техники и технологии. Применяемые для помола сырья мельницы имеют фланцевые соединения, которые крепятся прецизионными и крепежными болтами, обеспечивающие герметичность соединения. Прецизионные болты фланцевых соединений воспринимают всю нагрузку оборудования, поэтому к отверстиям под них во фланцах предъявляются повышенные требования по качеству. Обработка прецизионных отверстий должна выполняться по технологии, обеспечивающей требования к ним. В настоящей статье представлено исследование обработки отверстий зенкерованием, обеспечивающим точность отверстий после сверления по форме и пространственному отклонению. Приводятся результаты экспериментов, связанных с обработкой отверстий с использованием переносных устройств с выдвижным шпинделем и подвижной сверлильной головкой. Изложены отклонения отверстий, которые получены после сверления на переносных устройствах, и установлена зависимость отклонений от различных факторов, выражающаяся в разбивке и уводе оси отверстия. Установлено влияние технологической наследственности после сверления на точность отверстия при зенкеровании. Приведенные зависимости дают возможность спрогнозировать точность обработки отверстий с использованием переносных устройств после сверления и после зенкерования, установить фактическую глубину резания на зенкерование с учетом жесткости технологической системы и независимых переменных.
отверстия, фланцевые соединения, крупногабаритное оборудование, сверление, зенкерование, точность отверстий, технологическая наследственность
Введение. В крупногабаритном оборудовании за срок эксплуатации производят ремонты, связанные с заменой изношенных и поломанных узлов и деталей на новые. Сборные конструкции технологического крупногабаритного оборудования имеют значительную часть болтовых соединений. Ответственные фланцевые соединения помольного оборудования скрепляются крепежными и прецизионными болтами, под которые обрабатываются соответствующие отверстия. К прецизионным отверстиям предъявляются повышенные требования по обеспечению точности по форме и пространственным отклонениям. В технических условиях на прецизионные соединения устанавливается допуск на цилиндричность отверстия в пределах допуска на диаметр и перпендикулярность отверстия относительно торцовых поверхностей фланца [1]. Во фланцевых соединениях доля, приходящаяся на прецизионные болты, от общего количества болтов составляет, в зависимости от узла оборудования, одну треть или одну вторую части, а то и все болты должны быть прецизионными. Это связано с тем, что на прецизионные болты приходится вся нагрузка, воспринимаемая узлом при работе оборудования, и именно они работают на срез [2, 3]. Обработка прецизионных отверстий во фланцевых соединениях крупногабаритного оборудования по месту монтажа заменяющего узла при ремонте на цементных заводах, выполняется с использованием переносных устройств или переносных станков [4, 5]. Переносные сверлильные станки, в отличие от переносных устройств, имеют узел крепления, с помощью которого станок устанавливается на объект и крепится [6].
В настоящей работе рассматривается точность обработки отверстий в сплошном металле сверлением и его влияние на технологическую наследственность для зенкерования. В работе использовались данные экспериментов, которые проводились на переносных устройствах различных типов, уступающие по жесткости стационарным станкам, с изменением независимых переменных, оказывающих влияние на целевую величину – точность отверстия [1]. Проведено ряд работ по обработке отверстий в стальных заготовках с механическими свойствами, соответствующими конструкционной стали, из которой изготавливаются фланцы помольного оборудования, с применением переносных устройств, которые используют для обработки отверстий при монтаже и ремонте крупногабаритного оборудования.
Методология. Основным видом механической обработки отверстий в сплошном металле является сверление спиральными сверлами, которыми можно обеспечить точность диаметра отверстия по 12–13 квалитету, что характерно при традиционной технологии обработки на стационарных станках [7].
По результатам экспериментальных данных, при сверлении на переносных устройствах отверстий в сплошном металле спиральными сверлами, установлено, что имеет место обеспечение точности по диаметру отверстий ближе к 14-му квалитету, наличие разбивки с увеличением диаметра отверстия по отношению к диаметру сверла и отклонение по форме отверстия от круглости и цилиндричности (рис. 1). В поперечных сечениях отверстия по его длине отмечалось отклонение от круглости в виде овальности или огранки (рис. 1). В продольном сечении отверстия по его длине отклонение от цилиндричности было в виде конусности при сверлении на переносном устройстве с выдвижным шпинделем сверлильной головки, и в виде корсетности при сверлении на переносном устройстве с подвижной сверлильной головкой [1].
Рис. 1. Отклонения формы отверстия
На обоих устройствах наибольшая разбивка происходила на входном торце отверстия, т.е. при входе сверла в металл заготовки.
Кроме отмеченных отклонений имело место увод сверла (рис. 2, а), что явилось причиной появления отклонения от перпендикулярности отверстия относительно торца. Установлено, что величины приведенных отклонений тем больше, чем больше глубина сверления, связанная непосредственно с толщиной заготовок.
Рис. 2. Схемы обработки отверстий: а – увод сверла; б – зенкерование отверстия после сверления
Полученные при сверлении отклонения допустимы для крепежных болтов во фланцевых соединениях помольного оборудования. Диаметры таких болтов на 2 мм меньше диаметров отверстий под них. Прецизионные болты должны плотно входить в отверстия фланцев и прилегать торцами своих головок к торцам отверстий, что обеспечивается затяжкой этих болтов. При наличии неперпендикулярности отверстий головка болта либо не прилегает к торцу отверстия, либо болт изгибается под соответствующей затяжкой, что вызывает напряжение в болте. И то, и другое отрицательно влияет на фланцевое соединение при работе оборудования, что может привести к нежелательным последствиям.
Все приведенные отклонения от требуемой точности к прецизионным отверстиям указывают на необходимость после сверления применения более точных способов механической обработки. Во фланцевых соединениях обработка точных отверстий с применением переносных устройств по месту монтажа возможна с использованием зенкерования или растачивания с последующим развертыванием. Для устранения отклонений, которые возникают при сверлении, наиболее рационально использование зенкерования. В процессе зенкерования устраняются недостатки, возникающие после сверления (рис. 2, б) [8]. Этот способ обработки отверстий обеспечивает более высокие качество и производительность в сравнении с растачиванием. В то же время технологическая наследственность при зенкеровании по величине меньше, т.к. зенкер имеет более высокую жесткость, чем расточной резец.
Из выше изложенного следует, что необходимо установить технологическую наследственность влияния сверления на форму отверстия в продольном сечении при зенкеровании.
Основная часть. Технологическая наследственность после сверления (рис. 3) может быть оценена через погрешность, возникающую при зенкеровании.
Рис. 3. Схема обработки при сверлении
Погрешность при зенкеровании можно определить по следующей формуле [1]:
, (1)
где C – коэффициент, который вычисляется по формуле:
;
где Kр – поправочный коэффициент, учитывающий обрабатываемый материал, , sв – прочность обрабатываемого материала, МПа; l1 – вылет режущего инструмента, мм; l2 – вылет шпинделя, мм; t – фактическая глубина резания, мм; x – показатель степени; E1 – модуль упругости режущего инструмента (зенкера), МПа; Е2 – модуль упругости шпинделя, МПа;
J1 – момент инерции режущего инструмента (зенкера), мм4; J2 – момент инерции шпинделя, мм4.
Номинальная глубина резания tн для зенкерования:
,
где dз – фактический диаметр зенкера, мм; dc – фактический диаметр сверла, мм.
В результате разбивки диаметр отверстия после сверления имеет больше размер, чем диаметр сверла. Соответственно глубина резания изменяется на величину разбивки yр по длине отверстия и будет отличаться от номинальной глубины резания. Если отсутствует увод сверла, то фактическую глубину резания в рассматриваемых поперечных сечениях отверстия можно определить по формуле:
. (2)
Величина разбивки yрi зависит от многих факторов и переносных устройств, с помощью которых проводится обработка отверстий.
Для переносных устройств с подвижной сверлильной головкой разбивку в поперечных сечениях после сверления yрi= y(x) можно определить по формуле [9]:
, (3)
где Pо – осевое усилие; P1 – вес подвижной сверлильной головки; d – диаметр режущего инструмента (сверла); l – длина вылета режущего инструмента до шпинделя; l1 – расстояние между опорами направляющих; x – переменная величина перемещения равная длине обработки, то есть толщине заготовки H, мм, изменяется от H к 0 (рис. 3). Ее можно представить как: .
Соответственно l0 также является величиной переменной и при x ® 0 l0® l1.
Eи – модуль упругости режущего инструмента (сверла), МПа; Е – модуль упругости направляющих переносного устройства, по которым перемещается сверлильная головка, МПа;
Jи – момент инерции режущего инструмента (сверла), мм4; J – момент инерции направляющих, мм4.
Для переносных устройств с выдвижным шпинделем сверлильной головки разбивка в поперечных сечениях yрi= y(x) определяется по формуле [10]:
, (4)
где d – диаметр инструмента, мм; Pо – осевое усилие;
P = ΔPy;
l – длина вылета режущего инструмента до шпинделя, мм; x – переменная величина перемещения равная длине обработки, то есть толщине заготовки H, мм, изменяется от 0 к H (рис. 3). E – модуль упругости шпинделя, МПа; Eи – модуль упругости режущего инструмента (сверла), МПа; J – момент инерции шпинделя, мм4; Jи – момент инерции режущего инструмента (сверла), мм4.
Изменение величины разбивки по длине сверления, соответственно изменяет глубину резания, которая отражается в силе резания. Переменная сила резания влияет на изменение погрешности обработки при зенкеровании. Подставляя соответствующие входные параметры в формулы (3) и (4) по длине сверления, длине сверла, силе резания и другие, можно вычислить величину разбивки в каждом рассматриваемом поперечном сечении по длине отверстия. Полученные значения разбивки подставляются в формулу (2) для определения фактической глубины резания в тех же сечениях, в которых вычислялась разбивка.
Если в процессе сверления имеет место и разбивка отверстия, и увод сверла, то фактическую глубину резания в рассматриваемых поперечных сечениях отверстия можно определить по формуле:
, (5)
где yрi – разбивка отверстия после сверления в i поперечных сечениях, которая вычисляется по формулам (3) или (4), в зависимости от используемого переносного устройства; y0 – увод оси отверстия после сверления.
Величину увода оси отверстия после сверления (рис. 4) для переносных устройств с выдвижным шпинделем можно вычислить по формуле [1]:
, (6)
где l1 – вылет режущего инструмента, мм;
l2 – вылет шпинделя, l2 = l0 + x, мм, где l0 – постоянная величина вылета шпинделя;x – переменная величина вылета шпинделя, которая зависит от длины обработки, т.е. x®H.
Значения E, Eи, J, Jи те же, что в формуле (4).
Для переносных устройств с подвижной сверлильной головкой, жестких переносных станков и без выдвижных шпинделей величина увода оси отверстия y0 может быть определена по формуле [1]:
, (7)
где значения l1, Eи и Jи те же, что в формуле (6).
При использовании в переносных станках направляющих втулок для инструмента вылет режущего инструмента l в формулах (3) и (4) и l1 в формулах (6) и (7) заменяется на длину, равную расстоянию от выходного торца втулки до поверхности заготовки, – l3 (рис. 4).
Рис. 4. Схема увода оси отверстия
Для установления технологической наследственности влияния сверления на точность и форму отверстия в продольном сечении при зенкеровании, рассчитывается погрешность yi от переменной глубины резания ti в нескольких поперечных сечениях по длине отверстия, количество которых принимается в зависимости от длины (глубины) отверстия. Расстояние между сечениями желательно принимать с равномерным шагом. Вычисление глубины резания ti в принятых i поперечных сечениях производится по формуле (2) или (5).
Полученные значения глубины резания подставляются в формулу (1) и рассчитывается погрешность yi в каждом сечении. Величина вылета шпинделя l2 в формуле (1) принимается равной переменной величине перемещения xi, которая изменяется от 0 к H (рис. 3).
Диаметры отверстия после зенкерования Dзi по его длине в каждом поперечном сечении, зависящие от погрешности зенкерования в тех же сечениях, можно определить по формуле:
, (8)
где dз – фактический диаметр зенкера, мм; yзi – погрешность зенкерования по длине отверстия в каждом поперечном сечении, вычисленная по формуле (1), мм.
Для установления максимальной погрешности ymax формы отверстия после зенкерования ее величина определяется, как разность максимального и минимального диаметров отверстия, из следующего выражения:
.
Проверкой обеспечения точности обработки отверстий после зенкерования является, соблюдение условия:
, (9)
где Dз – погрешность диаметр отверстия после зенкерования; TDз – допуск цилиндричности отверстия, мм.
Из изложенной зависимости влияния сверления на точность отверстий для последующей обработки необходимо установить достаточность глубины резания для зенкерования по следующему условию:
.
Если это условие не соблюдается, т.е. tmax> tн, то следует принять диаметр сверла меньшего размера, вычислив его из следующего выражения:
.
Если вычисленное значение диаметра не соответствует стандартному, то принимается ближайший меньший диаметр сверла.
Значения диаметров зенкера dз max и dз min можно определить по формулам:
; (10)
, (11)
где Dотв – номинальный диаметр зенкеруемого отверстия; TDотв – допуск на диаметр зенкеруемого отверстия; ymax – максимальная величина разбивки;Tdз – поле допуска на изготовление зенкера, задается в зависимости от точности обрабатываемого отверстия.
Номинальный диаметр зенкера принимается по максимальному расчетному значению диаметра, т.е. dз= dз max, вычисленный по формуле (10).
Выводы. Приведенная зависимость точности зенкерования от технологической наследственности после сверления позволяет:
– оценить влияние отклонений отверстий от цилиндричности после сверления на форму отверстий после зенкерования;
– спрогнозировать точность обработки отверстий с использованием переносных устройств на стадии проектирования технологии обработки прецизионных отверстий во фланцах крупногабаритного оборудования;
– выполнить расчеты по установлению фактической глубины резания на зенкерование с учетом жесткости технологической системы и независимых переменных, оказывающих влияние на точность отверстия;
– назначить режущие инструменты (сверло, зенкер) с нужными размерами – диаметром и длиной рабочей части, и требуемой точностью.
1. Голдобина В.Г. Точность обработки отверстий во фланцах крупногабаритного оборудования при использовании переносных установок: монография. Белгород: Изд-во БГТУ, 2018. 106 с.
2. Банит Ф.Г., Несвижский О.А. Механическое оборудование цементных заводов. М.: Машиностроение, 1975. 318 с.
3. Дроздов Н.Е. Эксплуатация, ремонт и испытание оборудования предприятий строительных материалов, изделий и конструкций. М.: Высш. школа, 1979. 312 с.
4. Воробьев Л.Н. Технология машиностроения и ремонта машин. М.: Высш. школа, 1981. 344 с.
5. Голдобина В.Г. Разработка технологии и оборудования механической обработки прецизионных отверстий фланцевых соединений крупногабаритного оборудования: диссертация канд. техн. наук. Белгород, 2005. С. 80-93.
6. Голдобина В.Г. Обработка отверстий с использованием переносного станка // Научное обозрение. 2015. №20. С. 129-133.
7. https://poznayka.org/s98086t1.html Сверление отверстий.
8. www.stroitelstvo-new.ru/zhestyanye-raboty/zenkerovanie.shtml Зенкерование отверстий.
9. Голдобина В.Г. Точность обработки отверстий с использованием переносных устройств // Журнал «Известия Самарского научного центра Российской академии наук». Том 12, № 1(2). Самара, 2010. С. 326-329.
10. Голдобина В.Г. Влияние жесткости технологической системы на точность и форму обрабатываемых отверстий // Вестник БГТУ им. В.Г. Шухова. 2010. №3. С. 93-96.
