Russian Federation
VAC 05.02.2008 Технология машиностроения
VAC 05.17.00 Химическая технология
VAC 05.23.00 Строительство и архитектура
UDK 60 Прикладные науки. Общие вопросы
UDK 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
BBK 344 Общее машиностроение. Машиноведение
Cement, powder metallurgy and various large-sized equipment are used in the industry of building materials for grinding raw materials. During operation, such equipment is exposed to external influences, especially at the joints, which reduce the reliability of the units. This leads to the early replacement of wearing parts. Large components of grinding mills are connected by flanges. The flanges are fastened with bolts, some of which must be precision, since they take the load of the equipment and ensure the tightness of the connection. The holes for precision bolts, respectively, must be accurate and of high quality. A study of the processing of holes with a reamer is given. The cutting elements of the tool, in the form of multifaceted plates, are mechanically attached to the body, which makes it possible to quickly replace the plate in case of wear or breakage. Such an assembled combined cutting tool allows to perform countersinking and reaming in one operation and thereby reduce the processing time of one hole and, in general, all precision holes in the flanges of the mill being repaired. The dependence of the precision hole accuracy on the shape and spatial deviation from the cutting modes of processing when using a combined tool is derived. The dependence is established for processing using a portable device with a rising spindle, as the most used equipment for repairs. The presented dependence makes it possible to predict the accuracy of machining holes with a combined tool, taking into account the rigidity of the technological system and calculate the required reamer accuracy.
holes, mills, flanges, precision holes, combined tool
Введение. Крупногабаритное оборудование за период эксплуатации подвергается различным видам ремонта, связанным с заменой изношенных или поломанных узлов или деталей. Помольные мельницы, применяемые для производства цемента, работают по непрерывному циклу. Поэтому сроки ремонта, при котором мельница останавливается, отражаются на объеме выпуска цемента. Для сокращения времени простоев, связанных с ремонтом крупногабаритного оборудования, ведутся изыскания технологий и соответствующих средств для ремонта. К таким технологиям относится обработка без демонтажа оборудования или по месту монтажа заменяющего узла с использованием нестационарных средств механизации ремонтных работ таких, как переносные, накладные и приставные устройства или станки [1, 2]. Вращающиеся части помольных мельниц соединяются фланцами, которые скрепляются болтами, половина или третья часть которых приходится на прецизионные болты. На срез работают только прецизионные болты, так как на них приходится вся нагрузка, воспринимаемая при работе оборудованием [2, 3]. Во фланцах под прецизионные болты, соответственно, должны быть обработаны прецизионные отверстия. Для обеспечения прочности и устойчивости фланцевых соединений крышек с корпусом помольных мельниц на прецизионные отверстия устанавливаются повышенными требованиями по точности формы, шероховатости поверхности и пространственным отклонениям [3, 4]. Прецизионные отверстия во фланцевых соединениях помольных мельниц на цементных предприятиях при ремонте обрабатывают с применением переносных станков или устройств, или даже вручную [4, 5]. Переносной сверлильный станок удобен в эксплуатации, так как имеет узел крепления, с помощью которого он устанавливается на фланцы с фиксированием на обрабатываемое отверстие и крепится [6]. Переносное устройство узла крепления не имеет и его необходимо проектировать и изготавливать на самом заводе [4].
В данной работе рассматривается технология совместной обработки прецизионных отверстий во фланцевых соединениях помольных мельниц зенкером-разверткой с применением переносного станка. В работе использованы исследования, которые проводились на различных цементных заводах, связанные с обеспечением точности обработки отверстий во фланцах мельниц. На одних предприятиях применялась раздельная технология обработки отверстий с использованием стационарных станков, на других использовалась совместная обработка отверстий по месту монтажа с применением переносных устройств [4].
Методология. Совмещение осей отверстий в соединяемых фланцах является одним из основных требований прецизионных отверстий. Это требование обеспечивается совместной обработкой отверстий с использованием переносных станков или устройств. Обработка прецизионных отверстий выполняется за несколько переходов: сначала сверление отверстия в сплошном металле, затем зенкерование и, если точность высокая, то выполняется развертывание [4]. Каждый переход связан с заменой режущего инструмента, для чего он выводится из зоны резания на расстояние, позволяющее извлечь инструмент из шпинделя сверлильной головки. После установки нового инструмента в шпиндель сверлильная головка перемещается в направлении зоны резания. Таким образом, много переходная обработка, связанная с заменой режущего инструмента, влияет на трудоемкость обработки, связанную со вспомогательным временем, затрачиваемым на отвод, смену и подвод в зону резания инструмента. Обработка отверстий комбинированным инструментом – зенкером-разверткой позволяет сокращать и основное время, так как одновременно выполняется зенкерование и развертывание, а также время на обработку всех отверстий во фланцевых соединениях в целом.
Обработка прецизионных отверстий после сверления зенкером-разверткой позволяет обеспечить точность отверстий и сократить время на обработку – оперативное и в целом за весь период обработки всех отверстий в одном фланцевом соединении мельницы [5]. Зенкер-развертка является сборным комбинированным инструментом, у которого режущие элементы представляют стандартные многогранные неперетачиваемые твердосплавные пластины, закрепляемые механически на корпусе инструмента винтами (рис. 1). У инструмента два зуба, которые разделены прямыми стружечными канавками для выведения стружки из зоны резания. Такой комбинированный инструмент имеет две режущие части. Первая часть – зенкер, оснащена квадратными пластинами, вторая часть – развертка, оснащена трехгранными пластинами. Точность отверстий обеспечивается второй ступенью инструмента – разверткой. Применение многогранных пластин, закрепляемых механически, позволяет быстро повернуть их на другую грань или сменить при износе. При этом не требуется наладка, так как высокая точность пластин обеспечивает требуемую точность инструмента в пределах допуска. Соединительной частью инструмента является конический хвостовик, которым инструмент устанавливается в шпиндель сверлильной головки переносного станка или устройства.
Рис. 1. Зенкер-развертка
Основной припуск при обработке снимается зенкером, который устраняет отклонения от цилиндричности, увод и искривление оси отверстия, возникающие при сверлении [7]. По результатам экспериментальных данных установлено, что величина отклонений тем больше, чем больше глубина сверления, которая зависит непосредственно от толщины заготовки [4]. Развертывание обеспечивает точность отверстия по размеру и шероховатость поверхности.
Из выше изложенного следует, что необходимо определить точность отверстия, которая обеспечивается зенкером-разверткой.
Основная часть. Величина изменения диаметров отверстия в поперечном сечении по всей толщине заготовки при обработке зенкером-разверткой зависит от условий работы. Обработка выполнялась с использованием переносного станка (устройства) с выдвижным шпинделем, у которого при резание увеличивается длина на величину глубины сверления. Зенкер-развертка рассматривается как двухступенчатая консольная балка, закрепленная в шпинделе станка. В процессе обработки шпиндель выдвигается в направлении движения подачи, тем самым увеличивается длина консоли, что отражается на прогибе инструмента и, соответственно, на точности обработки отверстия. Свободный конец инструмента в процессе обработки нагружается силами резания [8]. Сила подачи, действующая на инструмент, вызывает Pо осевое усилие и Mк крутящий момент. Отжатие инструмента происходит в направлении действия равнодействующих сил [9] от радиальных Py и тангенциальных Pz сил, возникающих при зенкеровании и развертывании
, где Py=ΔPy – неуравновешенная радиальная сила при зенкеровании и Py1=ΔPy1 при развертывании; Pz=ΔPz – неуравновешенная тангенциальная сила при зенкеровании и Pz1=ΔPz1 при развертывании. Неуравновешенные силы ΔPy, ΔPy1, ΔPz и ΔPz1 могут действовать в любом направлении по радиусу отверстия. Величины ΔPy и ΔPy1 связаны с осевым усилием и вычисляются по зависимости [9]:
– для зенкерования ΔPy=0,008.Pо, Н;
– для развертывания ΔPy1=0,006.Pо1, Н.
Значения осевого усилия Pо и Pо1 определяются по формуле [10]:
– для зенкерования ,
– для развертывания ,
где CP – коэффициент, зависящий от условий обработки; t – глубина резания при зенкеровании, мм; t1 – глубина резания при развертывании, мм; S – подача на оборот, мм/об, для зенкерования и развертывания одна и та же; x и y – показатели степени; Kp – поправочный коэффициент, зависящий от обрабатываемого материала.
Величины ΔPz и ΔPz1 связаны с крутящим моментом и вычисляются по зависимости [9]:
– для зенкерования ΔPz=0,038.Mкр/d, Н, где d – диаметр зенкера, мм;
– для развертывания ΔPz1=0,031.Mкр1/d1, Н, где d1 – диаметр развертки, мм.
Крутящий момент при зенкеровании Mкр, Н.м, определяется по формуле [10]:
Mкр=10.Cм. Dq . tx .Sy . Kp,
где Cм – коэффициент, зависящий от условий обработки; D – диаметр отверстия, соответствует диаметру зенкера, мм; t – глубина резания, мм; S – подача на оборот, мм/об; x, y и q – показатели степени; Kp – поправочный коэффициент.
Крутящий момент при развертывании Mкр1, Н.м, определяется по формуле [10]:
,
где Cp – коэффициент, зависящий от условий обработки; D1 – диаметр отверстия, соответствует диаметру развертки, мм; t – глубина резания, мм; Sz – подача на зуб, мм/зуб; Z – число зубьев развертки; x и y – показатели степени.
При врезании инструмента в заготовку он приобретает опору и тогда система «инструмент – шпиндель» переходит от консольной схемы в схему со следящей нагрузкой [11]. Таким образом, на свободный конец накладывается связь в виде подвижного шарнира (рис. 2). Такая система «инструмент – шпиндель», как стержень переменного сечения с заделкой на одном конце и подвижным шарниром на другом, будет являться статически неопределимой [12].
Для определения точности отверстия, получаемой при обработке, необходимо проследить влияние режимов и сил резания на технологическую систему «инструмент – шпиндель». В данной системе исключается деталь, так как она представляет массивный жесткий объект, в котором производится обработка отверстий. Силы резания возникающие при обработке на столько незначительны, что не вызывают деформации детали.
Рассматриваемая система «инструмент – шпиндель» представлена схемой, в которой выделяются три участка (рис. 2). Первый участок – расстояние от опоры A (подвижный шарнир) до точки B, которое приходится на зенкер инструмента. Второй участок – расстояние от точки B (переход зенкера в развертку) до точки C (место стыка инструмента со шпинделем), приходится на развертку. Третий участок – расстояние от точки C до точки D, которое приходится на шпиндель (подвижная часть системы). Шпиндель в процессе работы выдвигается от торца корпуса сверлильной головки на длину обработки отверстия. Каждый из участков схемы имеет свое сечение, жесткость и длину. Длина на первом участке постоянная и равна длине зенкера инструмента, длина второго участка равна длине развертки, а на третьем участке длина шпинделя, величина переменная и зависит от длины обработки, т.е. от толщины заготовки.
Под действием режимов резания возникают силы резания, которые упруго деформируют систему «инструмент – шпиндель», вызывая прогиб (отжим) инструмента, что изменяет диаметр отверстия по его длине. Величину прогиба (отжима) системы можно вычислить, используя основное дифференциальное уравнение упругой линии [12]:
где M – изгибающий момент системы; Ei – модуль упругости рассматриваемого участка инструмента; Ji – момент инерции рассматриваемого участка инструмента.
Изгибающий момент для рассматриваемой системы (рис. 2) буде иметь вид:
, (1)
где P – неуравновешенная равнодействующая сила при зенкеровании; P1 – неуравновешенная равнодействующая сила при развертывании;
RA – реакция в опоре A; RD – реакция в опоре D; l – длина инструмента; l1 – длина развертки; x – длина шпинделя (величина переменная).
Рис. 2. Схема для расчета прогиба системы
Преобразованное дифференциальное уравнение упругой линии системы:
. (2)
В системе на стыке второго и третьего участков в точке C изменяются диаметры поперечных сечений этих участков. В точке C нет сосредоточенной силы, но на нее воздействует вся нагрузка, воспринимаемая на участках первом и втором. Для установления полной зависимости необходимо определить значения реакций в опорах A и D.
Сначала находится реакция в опоре A – RA, которая определяется по зависимости –
откуда
где x изменяется от 0 к H, H – длина обработки отверстия (толщина заготовки).
Реакция в опоре D – RD определяется по зависимости –
откуда
Проинтегрировав обе части равенства (2), тогда угол поворота оси можно определить по зависимости:
(3)
Интегрируя вторично, находится выражение для определения прогиба (отжима) – y(x).
(4)
Согласно утверждению [12] произвольные постоянные величины Ci и Di на всех участках рассматриваемой системы равны. Тогда достаточно определить постоянные величины на первом участке. Удалив из уравнений (3) и (4) соответствующие нагрузки на последующих участках системы, можно получить уравнения для первого участка:
(5)
(6)
Принимается, что C1 = C и D1 = D по утверждению, изложенному выше. В уравнения (5) и (6) вводится реакция RA, тогда:
(7)
(8)
Для заданной системы с заделкой угол поворота и прогиб (отжим) оси в ней равны нулю [12]. Для определения постоянных величин C и D задаются граничные условия:
при x=0 следует, что ql=0 и yl=0, тогда:
(9)
(10)
Подставив полученные значения RA и RD, C и D в уравнение (4) выводится формула для определения прогиба инструмента в любой точки по длине обрабатываемого отверстия – y(x):
(11)
где E1 – модуль упругости режущего инструмента, E1=2,1.105 МПа; E2 – модуль упругости шпинделя, E1=2,1.105 МПа; J1 – момент инерции режущего инструмента, J1=0,045.d4 мм4; J2 – момент инерции шпинделя, J1=0,05.(dн4– –dв4) мм4, где dн – наружный и dв – внутренний диаметры шпинделя.
Величина y(x) указывает на переменность прогиба (отжима) оси инструмента, а вместе с тем на изменение диаметра по длине отверстия. Для оценки цилиндричности обрабатываемого отверстия зенкером-разверткой в формулу (11) вводятся исходные данные и несколько значений переменной величины x по длине отверстия. Величина прогиба (отжима) инструмента, а соответственно погрешность обработки в виде разбивки (увеличения диаметра отверстия), зависит от длины отверстия и силы резания, т. е. режимов резания – глубины резания, подачи и частоты вращения инструмента. Длину обрабатываемого отверстия изменять нельзя, она должна быть такой, какой требуется. У переносных устройств и станков, для уменьшения их габаритных размеров и массы, компактные сверлильные головки, поэтому у таких конструкций постоянная подача и частота вращения. Таким образом, сила резания, с которой связан прогиб (отжим) инструмента, зависит от глубины резания, приходящееся на зенкерование и развертывание. Поэтому регулировать прогиб (отжим) инструмента следует глубиной резания на зенкерование и развертывание. Для рассматриваемой технологической системы при изменении длины обработки от в
Изменение диаметра обрабатываемого отверстия определяется после вычисления величины разбивки y(x) по формуле (11) в нескольких точках по длине отверстия, принимая расстояние между точками с равномерным шагом. Значение диаметра отверстия Di, мм, в рассматриваемой точке вычисляется по зависимости:
, (12)
где dр – действительный диаметр развертки, мм; yi – величина разбивки в рассматриваемой точке, мм.
Величина отклонения от цилиндричности определяется по полученным значениям Di, мм, по которым устанавливается максимальный и минимальный диаметр отверстия – Dmax и Dmin. Диаметр отверстия является допустимым, если погрешность обработки ΔD, мм, находится в пределах допуска на диаметр отверстия – TDо, мм:
. (13)
Предельные отклонения, которые необходимо наложить на размер диаметра новой развертки, определяются с учетом возможной максимальной разбивки ymax, мм, возникающей при максимальных значениях исходных данных – длине отверстия, глубины резания, подачи и частоты вращения инструмента.
Номинальный диаметр развертки равен номинальному диаметру отверстия. Верхнее отклонение диаметра развертки ESdр, мм, определяется с учетом величины максимальной разбивки ymax, мм:
, (14)
где ESDо – верхнее отклонение диаметра отверстия, мм.
Нижнее отклонение диаметра развертки EIdр, мм, определяется с учетом допуска на изготовление развертки:
, (15)
где Tdр – допуск на диаметр развертки, мм, принимается по стандарту в зависимости от квалитета точности обрабатываемого отверстия [13].
Выводы. Предлагаемая технология по использованию зенкера-развертки для обработки прецизионных отверстий во фланцевых соединениях крупногабаритного оборудования позволяет:
– сократить оперативное время обработки отверстий во фланцах мельниц от 1,5 часа для небольших мельниц до 4,3 часа для крупных мельниц одного фланцевого соединения;
– оценить цилиндричность обработки прецизионных отверстий зенкером-разверткой во фланцевых соединениях крупногабаритного оборудования;
– рассчитать диаметр и предельные отклонения развертки сборного инструмента.
1. Sanina T.M. [Sposob vosstanovleniy rabotosposobnosti vnutrennih poverhnostei vrasheniy shapf krupnogabaritnogo promichlenogo oborudovaniy v usloviyh ekspluatashii]. Belgorod: BSTU. 2011, 114 p. (rus)
2. Drozdov N.Ye. Operation, repair and testing of equipment of enterprises of building materials, products and structures [Ekspluataciya, remont i ispytanie oborudovaniya predpriyatij stroitel'nyh materialov, izdelij i konstrukcij]. M.: Higher. School. 1979, 312 p. (rus)
3. Banit F.G., Nesvizh O.A. Mechanical equipment of cement plants [Mekhanicheskoe oborudovanie cementnyh zavodov]. M.: Mashinostroenie. 1975, 318 p. (rus)
4. Goldobina V.G. Development of technology and equipment for mechanical processing of precision openings of flange joints of large-sized equipment [Razrabotka tekhnologii i oborudovaniya mekhanicheskoj obrabotki precizionnyh otverstij flancevyh soedinenij krupnogabaritnogo oborudovaniya]. dissertation Cand. tech. sciences. Belgorod: 2005, 133 p. (rus)
5. Goldobina V.G. Accuracy of processing holes in the flanges of large-sized equipment when using portable units [Tochnost' obrabotki otverstij vo flancah krupnogabaritnogo oborudovaniya pri ispol'zovanii perenosnyh ustanovok]. Belgorod: BSTU. 2018, 106 p. (rus)
6. Goldobina V.G. Processing holes using a portable machine [Obrabotka otverstij s ispol'zovaniem perenosnogo stanka]. Scientific Review Journal. 2015. No. 20. Pp. 129–133(rus)
7. www.stroitelstvo-new.ru/zhestyanye-raboty/zenkerovanie.shtml Reaming holes.
8. Vulf A.M. Cutting metals [Rezanie metallov]. L.: Mashinostroenie. 1973, 496 p. (rus)
9. Kolev K.S., Gorchakov L.M. Precision processing and cutting modes [Tochnost obrabotki i regimi rezaniy]. M.: Mashinostroenie. 1976, 144 p. (rus)
10. Dalskiy A.M., Kosilova A.G., Mesherykov R.K., Suslov A.G. Manual Technologist-Machine Builder [Spravochnik tekhnologa-mashinostroitely]. M.: Mashinostroenie. 2003, Vol. 2. (rus)
11. Birger I.A., Mavlutin R.R. Strength of materials [Soprotivlenie materialov]. M: Nauka. 1986, 560 p. (rus)
12. Pisarenko G.S. Strength of materials [Soprotivlenie materialov]. K.: Visha shkola. 1986, 775 p. (rus)
13. Ordinarcev I.A., Filippov G.V., Shevchenko A.N. Reference toolman [Spravochnik instrumentalshika]. L.: Mashinostroenie. 1987, 846 p. (rus)
