Россия
ВАК 05.02.2008 Технология машиностроения
ВАК 05.17.00 Химическая технология
ВАК 05.23.00 Строительство и архитектура
УДК 60 Прикладные науки. Общие вопросы
УДК 62 Инженерное дело. Техника в целом. Транспорт
ББК 344 Общее машиностроение. Машиноведение
В промышленности строительных материалов, цементной, порошковой металлургии применяется различное крупногабаритное оборудование для помола сырья. Такое оборудование при эксплуатации подвергается внешним воздействиям, особенно в местах стыка, снижающим надежность узлов, что приводит к досрочной замене изнашиваемых деталей. Крупные узлы помольных мельниц соединяются фланцами. Крепятся фланцы болтами, часть из которых должны быть прецизионными, так как они воспринимают нагрузку оборудования и обеспечивают герметичность соединения. Отверстия под прецизионные болты соответственно должны быть точными и качественными. Приводится исследование обработки отверстий зенкером-разверткой. У инструмента режущие элементы, в виде многогранных пластин, на корпусе крепятся механически, что дает возможность при износе или поломке быстро заменить пластину. Такой сборный комбинированный режущий инструмент позволяет выполнить зенкерование и развертывание в одну операцию и тем самым сократить время обработки одного отверстия и в целом всех прецизионных отверстий во фланцах ремонтируемой мельницы. Выведена зависимость точности прецизионного отверстия по форме и пространственному отклонению от режимов резания обработки при использовании комбинированного инструмента. Зависимость установлена для обработки с использованием переносного устройства с выдвижным шпинделем, как наиболее применяемое оборудование при ремонте. Представленная зависимость позволяет спрогнозировать точность обработки отверстий комбинированным инструментом с учетом жесткости технологической системы и рассчитать требуемую точность развертки.
отверстия, мельницы, фланцы, прецизионные отверстия, комбинированный инструмент.
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. Санина Т.М. Способ восстановления работоспособности внутренних поверхностей вращения цапф крупногабаритного промышленного оборудования в условиях эксплуатации. Белгород: Изд-во БГТУ, 2011. 114 с.
2. Дроздов Н.Е. Эксплуатация, ремонт и испытание оборудования предприятий строительных материалов, изделий и конструкций. М.: Высш. школа, 1979. 312 с.
3. Банит Ф.Г., Несвижский О.А. Механическое оборудование цементных заводов. М.: Машиностроение, 1975. 318 с.
4. Голдобина В.Г. Разработка технологии и оборудования механической обработки прецизионных отверстий фланцевых соединений крупногабаритного оборудования: диссертация канд. техн. наук. Белгород, 2005. 133 с.
5. Голдобина В.Г. Точность обработки отверстий во фланцах крупногабаритного оборудования при использовании переносных установок. Белгород: Изд-во БГТУ, 2018. 106 с.
6. Голдобина В.Г. Обработка отверстий с использованием переносного станка // Научное обозрение. 2015. №20. С. 129–133.
7. www.stroitelstvo-new.ru/zhestyanye-raboty/zenkerovanie.shtml Зенкерование отверстий.
8. Вульф А.М. Резание металлов. Л.: Машиностроение, 1973. 496 с.
9. Колев К.С., Горчаков Л.М. Точность обработки и режимы резания. М.: Машиностроение, 1976. 144 с.
10. Справочник технолога-машиностроите-ля. В 2-х т. Под ред. А.М. Дальского, А.Г. Косиловой, Р.К. Мещерякова, А.Г. Суслова. М.: Машиностроение, 2003. Т. 2.
11. Биргер И.А., Мавлютов Р.Р. Сопротивление материалов. М.: Наука, 1986. 560 с.
12. Сопротивление материалов. Под ред. Писаренко Г.С. К.: Вища шк., 1986. 775 с.
13. Ординарцев И.А., Филиппов Г.В., Шевченко А.Н. и др. Справочник инструментальщика. Под общ. ред. И.А. Ординарцева. Л.: Машиностроение, 1987. 846 с.
