CC BY
15
УДК 621.01
А.В. Панфилова
ЭВОЛЮЦИЯ РАЗРАБОТКИ СПОСОБА УДАЛЕНИЯ ОКАЛИНЫ
Аннотация. Рассматривается творческий попек нового подхода к проблеме удаления окалины с металлических поверхностен и процесс разработки нового способа решения этой проблемы профессорами кафедры «Технология и системы управления в машиностроении» СТТУ имени Гагарина ЮЛ. Королевым А.В. и Королевым АЛ. Показаны промежуточные и окончательные результаты удаления окалины с поверхностей образцов различными способами.
Ключевые слова: окалина, способ, устройство, модернизация, окалиноломатель, экспериментальные исследования
A.V. Panfilova EVOLUTION OF DESCALING METHODOLOGY
Abstract. A creative search for an advanced approach to the challenges related with descaling metal surfaces, and the process of designing new ways to solving the problem by professors A. V. Korolev and A.A. Korolev at the Department of Technologies and Control Systems in Mechanical Engineering of Yuri Gagarin State Technical University of Saratov are reported. The focus is made on the intermediate and end results of descaling sample surfaces using various techniques.
Keywords: scale, method, device, modernization, scale breaker, field research
ВВЕДЕНИЕ
На поверхности изделий, получаемых путем горячей прокатки, присутствует железная окалина. Окалина-это смесь оксидов железа, образующаяся при взаимодействии кислорода с раскалённым металлом. Она состоит из Fe;i04, FeO и Fe203 - магнетита, вьюстита и гематита, соответственно, и представлена отделяемыми друг от друга слоями. Толщина каждого из трёх слоёв зависит от температуры обработки стали. Так, при превышении порога в 570°С образуется чётко выраженная трёхслойная структура окалины. Дальнейшее повышение температуры ведёт к увеличению толщины вьюстита. Если же сталь обрабатывается при температурах ниже 570°С, то в составе окалины преобладают магнетит и гематит. Окалина значительно сокращает коррозионную стойкость материала и усложняет последующую обработку, поэтому необходимо полное ее удаление.
Известно, что после правки металлических листов на листоправильных машинах значительная часть находящейся на поверхности листов окалины будет отслаиваться и осыпаться, а незначительная часть останется на листах в рыхлом состоянии. Исследования, проведенные на Донецком металлургическом заводе показали, что после деформации листов различных размеров на поверхности листов остается от 6% до 12% рыхлой окалины. Кроме того проведенные исследования, которые осуществлялись на образцах с рыхлой окалиной, показали, что эта окалина поддается эффективному удалению механическим способом простыми средствами. Были разработаны способ и устройство для удаления такой окалины и проведены экспериментальные исследования по удалению окалины. Для проведения эксперимен-
тальных исследований были использованы образцы, вырезанные из листов, не подвергнутых предварительной правке. Поэтому они имели «девственную» окалину, прочно удерживаемую на поверхности образцов и покрывающую от 40% до 80% этой поверхности. В качестве образцов при проведении экспериментальных исследований использовались прямоугольные пластины размером 100 х 200 мм, вырезанные газовой резкой из листов СтЗсп ГОСТ 14637-89 толщиной 16 мм.
Выполненный литературный и патентный поиск способов и устройств, предлагаемых для удаления окалины, показал, что в промышленности в настоящее время для удаления окалины применяют очень сложные в эксплуатации способы, которые возможно использовать лишь крупным металлургическим предприятиям. Тем более отсутствуют способы, которые позволяли бы совмещать удаление окалины с правкой проката на ли-стоправильной машине.
Предложен оригинальный механический способ удаления окалины цилиндрическим роликом, имеющим шипы на рабочей поверхности, играющих роль окалиноломателей. Сущность способа заключается в том, что ось ролика располагают в плоскости, параллельной плоскости обрабатываемой поверхности, ролик прижимают к этой поверхности и вращают вокруг вертикальной оси, перпендикулярной плоскости обрабатываемой поверхности. В процессе вращения вокруг вертикальной оси ролик под действием сил трения вращается вокруг своей оси и шипами, находящимися на своей рабочей поверхности, разрушает окалину.
Рис. 1. Схема осуществления способа удаления окалины
Ролики с шипами 6 установлены в подшипниках 10 на оси 7, расположенной в радиальном направлении устройства. Ось 7 закреплена в специальной державке 3, установленной в корпусе / приспособления с возможностью перемещаться под действием пружины 5 вдоль своей оси. В приспособлении могут устанавливаться различное число роликов 2, 3, 4, 6 и т.д.
Обработку осуществляют следующим образом. Корпус 1 устанавливают над обрабатываемой поверхностью заготовки 11 так, что ролики 6 под действием пружины 5 прижимаются к обрабатываемой поверхности с определенным усилием. Включают вращение корпуса приспособления вокруг своей оси с частотой пр, а заготовку перемещают вдоль стола станка (в направлении главного вида). Кроме того корпусу 1 приспособления придают перемещение со скоростью £ в поперечном направлении к направлению перемещения заготовки.
Под действием сил трения с поверхностью заготовки ролики 6 получают вращение вокруг своих осей и осуществляет чистое качение по обрабатываемой поверхности. Своими шипами, расположенными на наружной поверхности, ролики взаимодействуют с окалиной и разрушают ее. Помимо этого с поверхности заготовки удаляется ржавчина. Этому способствует наличие небольшого проскальзывания поверхности роликов относительно обрабатываемой поверхности, которое возникает из-за наличия движения заготовки.
Исследования показали, что при наличие острых шипов на поверхности ролик эффективно разрушает окалину при прокатке его над ее поверхностью. Однако ролик при такой схеме работал только своей боковой кромкой и поэтому оставлял следы на обрабатываемой поверхности (рис. 3).
Рис. 2. Фотография ролика с шипами Рис. 3. Фрагмент разрушенной окалины
Поэтому предложенный способ был модернизирован следующим образом. На рабочей поверхности роликов б вместо шипов была выполнена винтовая поверхность, которая не оставляет следы на обрабатываемой поверхности, а ось 7 вращения роликов б была установлена под углом ОС к радиальному направлению устройства. При развороте ролика на угол ОС появляется составляющая силы трения, направленная по касательной к окружности вращения и осуществляющая сдвиг окалины при взаимодействии с ней рабочей поверхности ролика. Предварительные испытания предложенного способа показали положительные результаты. На рис. 4, например, показаны фотографии образцов до и после обработки. Как видно, с поверхности заготовки была удалена не только окалина, но и ржавчина. Обработанная поверхность после обработки имеет ровный матовый блеск.
Рис. 4. Фотографии поверхности образца до и после обработки
Недостатком этого способа является то. что на ролик 6, на его подшипниковую опору 10 и на державку 3 действует повышенная нагрузка. Поэтому державка 3 быстро приходит в негодность (рис. 5).
Рис. 5. Фотографии инструмента после выполнения опытов
В связи с этим было принято решение использовать для удаления окалины более жесткий и более простой конструктивно инструмент в виде торцового ролика (рис. 6). Предложено устройство для удаления окалины содержит ролики 7, имеющие рабочую поверхность на их торце, корпус 2, оправку 3, гайку 4 для крепления устройства на станке и пружины 5 для поджима ролика к обрабатываемой поверхности. На торце роликов выполнены кольцевые канавки для уменьшения площади их контакта с обрабатываемой поверхностью и повышения контактных напряжений.
Рис. 6. Устройство для удаления окалины торцовым роликом
Работа устройства осуществляется следующим образом. Торцовые ролики 1 своей рабочей торцовой поверхностью поджимаются к обрабатываемой поверхности, а корпусу 2 через оправку 3 придают вращение. Своей рабочей поверхностью ролики воздействуют на окалину и сдвигают ее в тангенциальном направлении к окружности вращения. Испытания показали. что недостатком устройства является повышенная потребная сила прижима торцов роликов к обрабатываемой поверхности. Так как, несмотря на наличие круговых проточек на
55
поверхности торцов роликов площадь их контакта роликов с обрабатываемой поверхностью велика, то при встрече с окалиной ролики при недостаточной осевой нагрузке «всплывают» над окалиной, удаляя ее не полностью. Возможно, это устройство будет хорошо работать с рыхлой окалиной, но для удаления «девственной» окалины данное устройство необходимо было модернизировать. Устройство после модернизации представлено на рис. 7.
4
Рис. 7. Устройство для удаления окалины с конусной торцовой поверхностью роликов
Устройство состоит из роликов /, установленных в корпусе 2, оси 3, предназначенной для передачи вращения корпусу 2 от шпинделя станка и пружин 4. Рабочей поверхностью роликов является торец, имеющую форму пологого конуса, на котором выполнены круговые канавки. В отличие от предыдущего устройства ролики / развернуты под острым углом как в направлении вращения - касательной к окружности вращения плоскости, так и в радиальной плоскости. Так как ролики 1 развернуты под углом к направлению вращения корпуса 2, то их контакт с обрабатываемой поверхностью осуществляется по линии образующей конуса торца, если этот угол совпадает с углом конуса, или в точке, если угол наклона роликов больше угла конуса. Это существенно снижает потребную нагрузку на инструмент и обеспечивает надежный сдвиг окалины при ее контакте с рабочей кромкой ролика. Наклон роликов в радиальной плоскости корпуса 2, как планировалось, должен обеспечить возможность вращения роликов вокруг своей оси в процессе работы устройства. Это необходимо для того, чтобы в работе участвовала не короткая хорда окружности рабочей кромки роликов, а вся окружность, что обеспечит повышенную стойкость инструмента.
Испытания показали, что предложенное устройство хорошо удаляет окалину. Кроме того оно изнашивается таким образом, что режущая кромка даже при значительном износе остается острой. Поэтому этот инструмент не требует постоянной заточки - он самозатачивается в процессе работы. Недостатком устройства является то, что не смотря на разворот роликов в радиальной плоскости даже на значительный угол они, все-таки, не получают вращения вокруг своей оси в процессе работы устройства из-за повышенного трения в опоре. Поэтому в контакте находится хорда рабочей кромки роликов, которая при износе роликов увеличивается в размере. Износ рабочей кромки ролика хорошо виден на фотографии (рис. 8).
Несмотря на то, что режущая кромка при износе остается острой, с увеличением ее площади для вращения роликов требуется создать достаточно большой момент, что технически обеспечить довольно-таки затруднительно. Поэтому было принято решение разработать новое устройство.
Рис. 8. Фотография торца ролика после испытаний ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
Был предложен новый оригинальный способ механической удаления окалины, реализованный устройством, представленным на рис. 9 [1 ].
А/2,51!
Рис. 9. Устройство для удаления окалины с режущими пластинами
Устройство с режущими пластинами состоит из инструмента /, корпуса 2, оси 3, пружин 4 и элементов крепления пластины 5, б, 7. В качестве инструмента используется твердосплавная режущая пластина, закрепленная на цилиндрическом стержне. Инструмент 1 расположен в направлении вращения корпуса 2 под острым углом. Это уменьшает задний угол пластины, а, следовательно, потребную силу прижима пластины к обрабатываемой поверхности. Но угол разворота должен быть таким, чтобы пластина хорошо осуществляла сдвиг окалины, но не царапала обрабатываемую поверхность. С другой стороны, площадь контакта пластины с обрабатываемой поверхностью должна быть такой, при которой пластина не будет «всплывать» над окалиной. Если при износе пластины режущая кромка будет оставаться острой, то при правильном выборе параметров пластины и угла ее наклона в направлении вращения, пластина не потребует частых переточек и будет работать до полного износа. Это существенно уменьшает трудоемкость технического обслуживания устройства.
Экспериментальные исследования осуществлялись на вертикально фрезерном станке 6Р12 (рис. 10, а) и на плоскошлифовальном шлифовальном станке ЗГ71 (рис. 10, б).
а) б)
Рис. 10. Фотографии устройства для удаления окалины, установленного на вертикально фрезерном (а) и плоскошлифовальном станках (б) режущими пластинами
Устройство закреплялось на шпинделе станка с помощью цанги. На столе станка устанавливались тиски, в которых зажимались испытываемые образцы. Вертикальным перемещением стола устанавливалась необходимая сила прижима инструмента к обрабатываемой поверхности. Предварительно с помощью динамометра осуществляется тарировка индикатора, что позволяет по показанию индикатора определять силу прижима образца к инструменту.
В процессе экспериментальных исследований определялся момент сопротивления вращению инструмента в процессе обработки. Определение момента необходимо для проведения последующих опытно-конструкторских работ при проектировании промышленного оборудования, а также для уточнения возможных затрат при эксплуатации оборудования.
Для измерения момента образец закреплялся в предварительно тарированном упорном подшипнике. Величина момента замерялась динамометром ДОРМ-3-0,5, в который упиралась боковая грань образца на заданном расстоянии от оси вращения подшипника. Момент определялся перемножением замеренной силы на плечо.
ВЫВОДЫ
Как показали дальнейшие экспериментальные исследования, разработанный способ [1] и устройство для его реализации позволили обеспечить 100 процентное удаление не только рыхлой, но и «девственной» окалины.
СПИСОК ЛИТЕРАТУ РЫ
1. Пат. 2014105408 Российская Федерация, МПК7 В08В 1/04. Способ очистки поверхности /Королев A.B., Королев A.A. заявл. 13.02.14; опубл. 20.08.15, Бюл. № 23.
СВЕДЕНИЯ ОБ АВТОРЕ
Панфилова Анастасия Вячеславовна -
аспирант кафедры ТСУ, тел. 8-917-210-64-35
Anastasia V. Panfilova -
Postgraduate Department of Control Systems Technology in Mechanical Engineering, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov
Статья поступила в редакцию 20.02.20, принята к опубликованию 15.03.20
