CC BY
9
Цитирование. Новиков М.А., Павлов С.Б. Анализ процесса работы ворошилки лент льна // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2021. - №1(62). - С. 190-198. DOI 24412/2078-1318-2021-1-190-198
Авторский вклад. Все авторы настоящего исследования принимали непосредственное участие в планировании, выполнении и анализе данного исследования. Все авторы настоящей статьи ознакомились и одобрили представленный окончательный вариант. Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Citation. Novikov M.A., Pavlov S.B. Analysis of the operating process of the flax tedder // Izvestiya Saint-Petersburg State Agrarian University, 2021. 1(62). 190-198. DOI .24412/2078-1318-2021-1-190-198 Autor's contribution. All authors of this research paper have directly participated in the planning, execution, or analysis of this study. Authors of this paper have read and approved the final version submitted. Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.
УДК 621.8.024.7: 621.9.02-229 DOI 10.24412/2078-1318-2021-1-9-198-206
ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ СТАНОЧНОЙ СИСТЕМЫ НА БАЗЕ МОДЕРНИЗИРОВАННОГО ВЕРТИКАЛЬНО-РАСТОЧНОГО СТАНКА
Кандидат технических наук, доцент Евгений Алексеевич Берденников (Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина», e-mail: dinaminator@yandex.ru) РИНЦ SPIN-код: 7023-3626 ORCID: http://orcid.org/0000-0002-8764-7143 Соискатель Илья Андреевич Серебряков (Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Вологодская государственная молочнохозяйственная академия имени Н.В. Верещагина», e-mail: ilya_serebryakov_97317@mail.ru) РИНЦ SPIN-код: 8617-0160 ORCID: http://orcid.org/0000-0002-3854-4279 160555, Российская Федерация, Вологда, с. Молочное, Шмидта, д. 2
Дата поступления в редакцию 01.02. 2021 г. Дата принятия в печать 24.02.2021 г.
Аннотация. На кафедре «Энергетические средства и технический сервис» Вологодской ГМХА была реализована идея модернизации вертикально-расточного станка модели 278 с целью обеспечения возможности механической обработки плоской поверхности, в частности, верхней поверхности блока цилиндров ДВС. Модернизация станка заключается, во-первых, в обеспечении привода подачи стола станка в горизонтальной плоскости с помощью червячного мотор-редуктора и цепной передачи, опосредующей движение на ходовой винт станка; во-вторых, в оснащении шпинделя станка резцовой оправкой. Преимуществом модернизированного станка является возможность растачивания цилиндров блока (при восстановлении методом ремонтных размеров) и обработки верхней поверхности за один установ, то есть при неизменном закреплении, что обеспечивает точность расположения обрабатываемых поверхностей. Особенно это актуально при обработке поверхностей V-образных блоков цилиндров ДВС, базирование и закрепление которых, в отличие от установки рядных блоков, более сложный и трудоемкий процесс. С помощью
модернизированного станка возможна обработка поверхностей как крупногабаритных блоков цилиндров, так и головок блоков цилиндров автотракторных ДВС. Помимо самой идеи модернизации вертикально-расточного станка, научный интерес вызывает исследование конкретных технологических параметров станочной системы.
В данной работе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований таких параметров, как шероховатость обработанной поверхности, жесткость технологической системы «станок - приспособление - инструмент - деталь» (СПИД), плоскостность обработанной поверхности. При определенных условиях функционирования предприятий технического сервиса в агропромышленном комплексе, связанных с оснащенностью технологическим оборудованием и его характеристиками, повышение функциональности металлорежущих станков, в частности, модернизация вертикально расточного станка с обеспечением возможности обработки плоских поверхностей, является рациональным техническим решением.
Ключевые слова: модернизация, вертикально-расточной станок, плоская поверхность, шероховатость, жесткость, плоскостность
ANALYSIS OF MACHINE SYSTEM PARAMETERS BASED ON A VERTICAL BORING
MACHINE UPGRADING
Candidate of Technical Sciences, Associate Professor Evgeniy Alekseevich Berdennikov, (Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Vologda State Dairy Farming Academy named after N. V. Vereshchagin», e-mail: dinaminator@yandex.ru)
RSCI SPIN-code: 7023-3626 ORCID: http://orcid.org/0000-0002-8764-7143 Ilya Andreevich Serebryakov, Doctoral student (Federal State Budgetary Educational Institution of Higher Education «Vologda State Dairy Farming Academy named after N. V. Vereshchagin», e-mail: ilya_serebryakov_97317@mail.ru)
RSCI SPIN-code: 8617-0160 ORCID: http://orcid.org/0000-0002-3854-4279 160555, Russian Federation, Vologda, s. Molochnoye, ul. Schmidta, 2
Received 01/02/2021 Submitted 24/02/2021
Abstract. The Department of Energy Resources and Technical Service, at Vologda State Dairy Farming Academy has implemented the idea of upgrading the vertical boring machine of Model 278 to make a flat resurfacing possible, in particular the upper surface of the internal combustion engine cylinder block. The machine upgrading consists in the following: (1) to make the drive to feed the machine table horizontally using a worm gear motor and a chain transmission that transmits the movement to the machine's driving screw; (2) to equip the machine spindle with a tool mandrel. The advantage of the upgraded machine consists in the possibility of boring the cylinder block (when restored by the repair size method) and a single-setup of the treated upper surface. Thus, using constant fixing ensures the accuracy of the treated surface position. This is especially important when treating V-shaped surfaces of the internal combustion engine cylinder blocks, since their positioning and fixing is much more complex and time-consuming compared to inline blocks. The upgraded machine makes it possible to treat the surfaces of both large-sized cylinder blocks and cylinder heads of automotive internal combustion engines.
In addition to the idea of upgrading a vertical boring machine, analysis of specific technological parameters of the machine system is of scientific interest. This paper presents the results of theoretical and experimental studies of such parameters as the treated surface roughness, the
rigidity of the "machine - device - tool - part" technological system and the treated surface flatness. Under certain conditions of technical service enterprise operation in the agro-industrial complex, being related to technological equipment and its characteristics, improving the functionality of metal-cutting machines, in particular, upgrading a vertical boring machine intended at flat surface treatment is a rational technical solution.
Keywords: upgrading, vertical boring machine, flat surface, roughness, rigidity, flatness
Введение. Технический прогресс в области машиностроения и ремонтного производства не стоит на месте, но в определенных условиях является актуальным повышение функциональности металлорежущих станков, находящихся в эксплуатации на предприятиях технического сервиса агропромышленного комплекса. Анализ существующих неисправностей такой базовой детали, как блок цилиндров, отказ которой определяет ресурс двигателя трактора или автомобиля, показал, что довольно часто имеет место температурная деформация блока цилиндра, вызывающая нарушение плоскостности (коробление) верхней поверхности блока. Основным способом устранения данного отказа является механическая обработка поверхности с помощью либо фрезерного, либо плоскошлифовального станка [1, 2].
Цель исследования - определить параметры станочной системы на базе модернизированного вертикально-расточного станка.
Материалы, методы и объекты исследований. На кафедре «Энергетические средства и технический сервис» Вологодской ГМХА была реализована идея модернизации вертикально-расточного станка модели 278 с целью обеспечения возможности механической обработки плоской поверхности, в частности, верхней поверхности блока цилиндров ДВС. Модернизация станка (рис. 1) заключается, во-первых, в обеспечении привода подачи стола 6 станка в горизонтальной плоскости с помощью червячного мотор-редуктора 1 и цепной передачи 4, опосредующей движение на ходовой винт 5 станка; во-вторых, в оснащении шпинделя 2 станка резцовой оправкой 3. Элементы модернизации станка отображены на рисунке 2.
а) б)
Рис. 2. Элементы модернизации вертикально-расточного станка: а - привод продольной подачи стола; б - шпиндель с резцовой оправкой
Преимуществом модернизированного станка является возможность растачивания цилиндров блока (при восстановлении методом ремонтных размеров) и обработки верхней поверхности за один установ, т.е. при неизменном закреплении, что обеспечивает точность расположения обрабатываемых поверхностей. Особенно это актуально при обработке поверхностей V-образных блоков цилиндров ДВС, базирование и закрепление которых, в отличие от установки рядных блоков, более сложный и трудоемкий процесс. С помощью модернизированного станка возможна обработка поверхностей как крупногабаритных блоков цилиндров, так и головок блоков цилиндров автотракторных ДВС.
Помимо самой идеи модернизации вертикально-расточного станка научный интерес вызывает исследование конкретных технологических параметров станочной системы. В данной работе представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований таких параметров, как шероховатость обработанной поверхности, жесткость технологической системы «станок - приспособление - инструмент - деталь» (СПИД), плоскостность обработанной поверхности.
На шероховатость обработанной поверхности, наряду с другими факторами, оказывают влияние элементы режима резания и геометрия режущего инструмента. Влияние подачи (горизонтального перемещения стола с блоком цилиндров за один оборот шпинделя) на шероховатость наиболее существенно и обусловлено тем, что при изменении подачи изменяется расстояние между следами резца (витками), а соответственно изменяется высота этих витков, т.е. шероховатость [3].
Аналогичным образом можно объяснить влияние на шероховатость обработанной поверхности радиуса при вершине резца. Если при неизменной подаче увеличить радиус при вершине резца, то высота неровностей и, соответственно, шероховатость уменьшится. Аналитически расчетную шероховатость можно выразить зависимостью [4]:
с 2
Ярас - — , (1)
р 8г
где с - подача за один оборот шпинделя, мм/об; г - радиус при вершине резца, мм.
пдв t
s =
д®"™ (2)
n u
шп пр
где п дв - частота вращения электродвигателя мотор-редуктора, мин-1; tхв - шаг резьбы ходового винта продольной подачи стола, tхв = 6 мм; Пшп - частота вращения шпинделя станка, мин-1; и - передаточное отношение привода продольной подачи стола.
ипр = и рицп = и р — , (3)
где ир - передаточное отношение червячного редуктора, ир = 80; ицп - передаточное отношение цепной передачи; 2 - число зубьев ведущей звездочки цепной передачи, 2 = 9;
22 - число зубьев ведомой звездочки цепной передачи, 2 = 23.
Влияние скорости резания на шероховатость обработанной поверхности обусловлено образованием наростов на резце, которые появляются в среднем диапазоне скоростей резания. Наросты на резце после образования до определенной величины самоустраняются (срываются), что и приводит к появлению шероховатости [5]. При обработке чугуна нарост не образуется.
Жесткость технологической системы «станок - приспособление - инструмент - деталь» (СПИД) определяется жесткостью элементов системы и в общем виде может быть выражена следующей зависимостью [6, 7]:
Р
У = -х-, (4)
А х
где у - жесткость технологической системы, Н/мкм; Рх - составляющая усилия резания, направленная вдоль оси шпинделя перпендикулярно обрабатываемой поверхности, Н; Ах - смещение резца под действием силы Рх, мкм.
Из теории резания [8]:
Р
Рх = — = 2,5С/рЛПр, (5)
4
где Р2 - тангенциальная (главная) составляющая усилия резания, мм; t - глубина резания, мм; ^ - подача, мм/об; V - скорость резания, м/мин; С - коэффициент, характеризующий условия обработки; хр, уР, пр - показатели степени.
2лгр п
V =-—, (6)
1000
где гр - радиус резания, равный расстоянию от оси шпинделя до вершины резца, измеренного по нормали к оси шпинделя, мм; п - частота вращения шпинделя, мин-1.
Податливость ж, мкм/Н - величина, обратная жесткости:
Ж = - (7)
У
Технологическим параметром, характеризующим отклонение от геометрической формы, является отклонение от плоскостности обрабатываемой поверхности, причиной которого в рассматриваемой станочной системе в большей степени может являться износ продольных направляющих стола модернизированного станка.
Экспериментальные исследования технологических параметров станочной системы СПИД заключались в измерении данных параметров при механической обработке верхней поверхности блока цилиндров автомобиля ВАЗ-2107 и нижней поверхности головки блока цилиндров двигателя ЗМЗ-53, изготовленных, соответственно, из серого чугуна и алюминиевого сплава.
Результаты исследований. При изучении шероховатости обработанной поверхности были получены экспериментальные зависимости шероховатости от элементов режима резания - подачи ^ и скорости резания v. Для изменения подачи при неизменной скорости резания изменялась частота вращения вала электродвигателя мотор-редуктора (позиция 1 на рис. 1) с помощью частотного преобразователя INNOVERT. Изменение скорости резания при неизменной подаче осуществлялось путем изменения частоты вращения шпинделя станка. Измерение шероховатости обработанной поверхности проводилось с помощью профилометра TR-200. Зависимости параметра шероховатости Кх от подачи и скорости резания в сравнении с результатами теоретических расчетов шероховатости крас по формуле 1 при глубине резания t = 0,2 мм и радиусе при вершине резца г = 0,3 мм представлены в таблицах 1, 2 и на рисунках 3 и 4.
Таблица 1. Результаты определения шероховатости обработанной поверхности
при различной подаче
Подача 5, мм/об 0,05 0,1 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35
Rpac, МКМ 1,0 4,2 9,4 16,7 26,0 37,5 51,0
Обработка блока цилиндров v = 191 м/мин ( Ишп = 160 мин-1)
Rz, мкм - 19,6 20,6 25,5 28,6 33,5 38,8
Обработка головки блока цилиндров v = 317 м/мин ( Пшп = 315 мин-1)
Rz, мкм 12,6 14,6 15,2 18,1 21,0 - -
Анализируя полученные зависимости, следует заключить, что результаты экспериментального исследования шероховатости обработанной поверхности с помощью модернизированного расточного станка сопоставимы с результатами теоретических расчетов. Отличие интенсивности увеличения фактической и расчетной шероховатостей с увеличением подачи можно объяснить тем, что при определении подачи по формуле 1 учтены не все технологические факторы. Оптимальным следует считать значение подачи ^ = 0,2 мм/об, так как при больших значениях подачи шероховатость превысит значение, допустимое техническими требованиями, предъявляемыми к обрабатываемым поверхностям. Номинальное значение шероховатости верхней поверхности чугунного блока цилиндров и нижней поверхности головки блока составляет К = 20-30 мкм [7].
Таблица 2. Результаты определения шероховатости обработанной поверхности при различной скорости резания, з = 0,2 мм/об
Частота вращения шпинделя «шп, мин-1 80 112 160 224 315 450
Скорость резания v, м/мин 95,5 133,6 191,0 267,3 375,9 536,9
Обработка блока цилиндров, 5 = 0,2 мм/об
Rz, мкм 27,4 28 26,8 27,14 27,5 -
Обработка головки блока цилиндров, s = 0,18 мм/об
Rz, мкм 15,5 15,7 17,4 16,1 16,4 15,5
Рис. 3. Зависимость шероховатости поверхности от подачи при обработке: 1 - верхней поверхности блока цилиндров; 2 - нижней поверхности головки блока цилиндров
Явного изменения шероховатости обработанной поверхности с увеличением скорости резания в пределах измерений не наблюдается. Вместе с тем не следует превышать табличные значения скоростей резания [8], что может привести к интенсивному износу режущего инструмента. В связи с этим обработку плоских поверхностей чугунного блока цилиндра рекомендуется производить при частоте вращения шпинделя 160 мин-1, а головки блока, выполненной из алюминиевого сплава, - 315 мин-1 при соответствующих значениях скорости резания 191 и 376 м/мин.
Так как жесткость технологической системы СПИД - это отношение осевой составляющей силы резания к смещению резца (формула 4), то эксперимент предусматривал измерение смещения резца путем измерения высоты ступени между предварительно обработанной верхней поверхностью чугунного блока цилиндров (^ = 0,19 мм, ^ = 0,28 мм/об, V = 191 м/мин) и поверхностью, полученной при обработке предыдущей поверхности без принудительного осевого смещения (опускания) шпинделя. Измерение проводилось с помощью индикатора часового типа с ценой деления 0,001 мм. В результате зафиксировано смещение резца Д = 0,002-0,003 мм.
30 25 20 15 10 5 0
Rz, mkm
—
2
v, м/мин
0
100 200 300 400 500 600
Рис. 4. Зависимость шероховатости поверхности от скорости резания при обработке: 1 - верхней поверхности блока цилиндров; 2 - нижней поверхности головки блока цилиндров
Значение осевой составляющей усилия резания, определенное по формуле 5 при значениях коэффициентов С = 115, Хр = 1, ур = 0,75, Пр = 0, составило Рх = 21 Н.
Значения жесткости и податливости, определенные по формулам 4 и 7, составили: у =
8,4 Н/мкм, Ж = 0,12 мкм/Н.
Податливость, а соответственно, и жесткость модернизированного вертикально-расточного станка соответствует нормируемой, так как податливость токарных и расточных станков находится в пределах 0,05-0,13 мкм/Н [7].
Измерение плоскостности обработанной верхней поверхности блока цилиндров производилось посредством поверочной линейки и щупа в нескольких плоскостях. Проходная толщина щупа не превысила значения 0,02 мм, что допустимо техническими условиями на дефектацию как блока, так и головки цилиндров [9, 10].
Выводы. В заключение следует сделать вывод, что при определенных условиях функционирования предприятий технического сервиса в агропромышленном комплексе, связанных с оснащенностью технологическим оборудованием и его характеристиками, повышение функциональности металлорежущих станков, в частности, модернизация вертикально расточного станка с обеспечением возможности обработки плоских поверхностей, является рациональным техническим решением.
Литература
1. Корнеев В.М. Технология ремонта машин. - М.: Инфра-М, 2019. - 314 с.
2. Кравченко И.Н. Технологические процессы в техническом сервисе машин и оборудования. - М.: ИНФРА-М, 2018. - 346 с.
3. Борисенко Г. А. Технология конструкционных материалов. Обработка резанием. - М.: ИНФРА-М, 2020. - 142 с.
4. Некрасов С.С. Обработка материалов резанием. - М.: Колос, 1997. - 320 с.
5. Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов. - М.: Высшая школа, 1985. - 304 с.
6. Федоренко М.А. Технология сельскохозяйственного машиностроения. - М.: ИНФРА-М, 2018. - 467 с.
7. Зуев А.А. Технология машиностроения. - СПб.: Издательство «Лань», 2003. - 496 с.
8. Берденников Е.А. Проектирование технологического процесса механической обработки конструкционных материалов резанием. - Вологда - Молочное: ИЦ ВГМХА, 2009. - 95 с.
9. Лебедев А.Т. Технология и организация восстановления деталей и сборочных единиц при сервисном обслуживании. - Ставрополь: Ставропольский ГАУ, 2014. - 96 с.
10. Курчаткин В.В. Надежность и ремонт машин. - М.: Колос, 2000. - 776 с.
References
1. Korneev V.M. Tehnologiya remonta mashin. M.: INFRA-M, 2019. - 314 s.
2. Kravchenko I.N. Tehnologicheskie protsessy v tehnicheskom servise mashin i oborudovaniya. M.: INFRA-M, 2018. - 346 s.
3. Borisenko G.A. Tehnologiya konstruktsyonnyh materialov. Obrabotka rezaniem. - M.: INFRA-M, 2020. - 142 s.
4. Nekrasov S.S. Obrabotka materialov rezaniem. - M.: Kolos, 1997. - 320 s.
5. Granovskiy G.I., Granovskiy V.G. Rezanie metallov. - M.: Vysshaya shkola, 1985. - 304 s.
6. Fedorenko M.A. Tehnologiya selskohozyaystvennogo mashinostroeniya. - M.: INFRA-M, 2018. - 467 s.
7. Zuev A.A. Tehnologiya mashinostroeniya. - SPb.: Izdatelstvo "Lan", 2003. - 496 s.
8. Berdennikov E.A. Proektirovanie tehnologicheskogo protsessa mehanicheskoy obrabotki konstruktsyonnyh materialov rezaniem. - Vologda - Molochnoe: ITS VGMHA, 2009. 95 s.
9. Lebedev A.T. Tehnologiya i organizatsiya vosstanovleniya detaley i sborochnyh edenits pri servisnom obsluzzivanii. - Stavropol: Stavropolskiy GAU, 2014. - 96 s.
10. Kurchatkin V.V. Nadezznost i remont mashin. - M.: Kolos, 2000. - 776 s.
Цитирование. Берденников Е.А., Серебряков И.А. Исследование параметров станочной системы на базе модернизированного вертикально-расточного станка // Известия Санкт-Петербургского государственного аграрного университета. - 2021. - №1(62). - С. 198-206. DOI 10.24412/2078-13182021-1-9-198-206
Авторский вклад. Все авторы настоящего исследования принимали непосредственное участие в планировании, выполнении и анализе данного исследования. Все авторы настоящей статьи ознакомились и одобрили представленный окончательный вариант. Конфликт интересов. Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Citation. Berdennikov E.A., Serebryakov I.A. Analysis of machine system parameters based on a vertical boring machine upgrading // Izvestiya Saint-Petersburg State Agrarian University, 2021. 1(62). 198-206. DOI 10.24412/2078-1318-2021-1-9-198-206
Author's contribution. All authors of this research paper have directly participated in the planning, execution, or analysis of this study. All authors of this paper have read and approved the final version submitted. Conflict of interest. The authors declare no conflict of interest.
