CC BY
7
DOI 10.25987/^ТО.2020Л6.3.016 УДК 621.01
ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РЕЖИМОВ ОБРАБОТКИ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ ОЧИСТКИ ЛИСТОВОГО ПРОКАТА ДЛЯ ПОЛЫХ ШАРИКОВ ОТ ОКАЛИНЫ
А.В. Королев, А.В. Панфилова, О.П. Решетникова, Б.М. Изнаиров, А.Н. Васин
Аннотация: рассматриваются возможности нового простого, но эффективного способа удаления окалины с поверхности стального листового проката, предназначенного для изготовления полых шариков, а также результаты проведения экспериментальных его исследований. Описано устройство для реализации нового способа и механизм его взаимодействия с обрабатываемой поверхностью. Показан выбор технологических факторов, таких как угол наклона окалиноломателя в направлении его вращения, окружная скорость вращения окалиноломателя, сила прижима инструмента к обрабатываемой поверхности и подача образца, оказывающих наибольшее влияние на основные параметры качества очищенной от окалины поверхности и производительность обработки. Разработан план неполного факторного эксперимента. В соответствии с разработанным планом были проведены экспериментальные исследования, в результате которых получены значения функции отклика для различных сочетаний уровней факторов. По результатам исследования построены зависимости степени очистки поверхности листа от окалины от основных влияющих факторов и получена математическая модель исследуемого процесса в виде уравнения регрессии, которая позволила определить наиболее благоприятные режимы для удаления окалины с проката. Показано, что предложенным способом обеспечивается надежное удаление окалины даже в случае, если она очень прочно закреплена на обрабатываемой поверхности листового проката
Ключевые слова: полые шарики, экспериментальные исследования, окалина, прокат, режимы обработки, уравнение регрессии, математическая модель
Благодарности: статья подготовлена при финансовой поддержке гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук № МК-2395.2020.8.
Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.,
г. Саратов, Россия
В настоящее время уровень параметров значительной части эксплуатируемых подшипниковых узлов уже не соответствует требованиям, предъявляемым к современной технике, ни по надежности, ни по силовым, ни по скоростным показателям. Поэтому дальнейший выпуск изделий на основе использования традиционных узлов качения не позволит им конкурировать ни на внутреннем, ни на международном рынках, т.е. нужно решать задачи по созданию узлов качения нового поколения. Таким направлением является создание подшипников с облегченными телами качения, уменьшающими нагрузку на наружные кольца подшипников при высоких скоростях вращения за счет снижения центробежной силы, а значит, и увеличивающими срок их службы и долговечность подшипниковых узлов в целом. Кроме того, облегченные тела качения требуют меньшей мощности для работы использующих их узлов, т.к. при их использовании значительно уменьшается момент страгивания, вращения и
Введение
момент инерции при торможении. В качестве облегченных тел качения целесообразно рассматривать полые шарики тонкостенной конструкции, которые, чаще всего, изготавливают из стального листового проката. На поверхности изделий, получаемых методом горячего проката, всегда образуется железная окалина, которая значительно сокращает коррозионную стойкость материала и усложняет последующую обработку, поэтому необходимо полное ее удаление.
В промышленности в настоящее время для удаления окалины применяют очень сложные в эксплуатации способы [1, 2, 3, 4], которые возможно использовать лишь крупным металлургическим предприятиям. Поэтому было принято решение разработать новое устройство для удаления окалины, которое можно использовать в условиях любого машиностроительного предприятия.
Описание способа и устройство для удаления окалины
© Королев А.В., Панфилова А.В., Решетникова О.П., Изнаиров Б.М., Васин А.Н., 2020
Предлагаемый способ заключается в следующем. В качестве рабочего инструмента ис-
пользуют твердую пластину, установленную ее рабочей кромкой вдоль образующей обрабатываемой поверхности наклонно под углом 3-5 градусов к опорной конструкции в направлении, противоположном вектору скорости вращения (рис. 1) [5].
А(2,51)
ш
Рис. 1. Устройство с режущими пластинами для удаления окалины
Устройство (рис. 1) с режущими пластинами 4 состоит из инструмента 1, корпуса 2, оси и пружины 3 и элементов крепления пластины 5, 6, 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. При этом 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. 2).
Рис. 2. Фотография устройства для удаления окалины, установленного на вертикально-фрезерном станке
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 осуществлялась тарировка индикатора, что позволяет по показанию индикатора определять силу прижима образца к инструменту.
План эксперимента
Определить влияние каждого фактора на ход технологического процесса практически невозможно, поэтому необходимо выделить факторы, которые оказывают наиболее значимое влияние. Априорными расчётно-теоретическими исследованиями и проведением предварительных исследований по способу было установлено, что на основные параметры качества очищенной от окалины поверхности и производительность обработки оказывают влияние такие технологические факторы, как угол ОС наклона инструмента в направлении его вращения, скорость вращения инструмента V , сила воздействия инструмента на обрабатываемую поверхность Р и подача изделия £ на один оборот инструмента. Поэтому эти технологические параметры выбраны в качестве основных факторов эксперимента. Экспериментальные исследования осуществлялись одним окалиноломателем, так как при ограниченных режимах работы станка это позволяло в более широких пределах варьировать значения факторов эксперимента.
Уровни варьирования факторов приведены в таблице ниже.
;
Уровни варьирования факторов при удалении
К качественным показателям исследуемого процесса была отнесена площадь F , занимаемая окалиной после обработки в долях от площади всей поверхности образца, и момент сопротивления вращению инструмента М, Н ■ м .
Использовался неполный факторный эксперимент (НФЭ) 24-1 . В соответствии с указанным планом были проведены опыты, в результате которых получены значения функции отклика для различных сочетаний уровней факторов. При одних и тех же условиях каждый опыт повторяли три раза [6, 7]. Порядок проведения опытов рандомизировали. Данные опытов обрабатывали по методике [6, 7].
Коэффициенты уравнения регрессии рассчитывались по методике [6, 7] и программой <й.ЬаБ», модернизированной под расчёт модели для матрицы 24-1опытов. Однородность дисперсий проверялась по критерию Кохрена при уровне значимости 0,05. Во всех случаях экспериментальных исследований гипотеза об однородности дисперсий принималась.
Значимость коэффициентов регрессии оценивалась по критерию Стьюдента при уровне значимости 0,05. Незначимые коэффициенты уравнения регрессии принимались равными нулю. Адекватность математической модели определялась по критерию Фишера при уровне значимости 0,05.
Результаты экспериментальных исследований
По результатам исследования построены зависимости степени очистки поверхности ли-
ста от окалины от основных влияющих факторов, в том числе от угла наклона окалинолома-теля в направлении его вращения, скорости вращения, силы прижима инструмента к обрабатываемой поверхности и подачи образца. Полученная регрессионная зависимость имеет следующий вид:
F = -0,373 + 0,071 ■ а + 0,057-V + + 0,0158-Р - 0,1-£ - 0,000071-V ■ Р '
где F - доля поверхности образца, свободной от окалины; а - угол наклона окалиноломате-ля в направлении его вращения, град.; V -окружная скорость вращения окалиноломателя, м/мин.; Р - сила прижима инструмента к обрабатываемой поверхности, Н; £ - подача образца, м/мин.
Как видно из равенства, угол наклона ока-линоломателя а и подача образца £ оказывают на степень очистки от окалины F непосредственное влияние. Окружная скорость инструмента V и сила прижима инструмента к обрабатываемой поверхности Р оказывают на степень очистки от окалины взаимное влияние. Это означает, что с возрастанием окружной скорости вращения инструмента V влияние нагрузки Р на инструмент падает. Объясняется это тем, что с возрастанием окружной скорости сила удара рабочей кромки инструмента на окалину возрастает и она более легко разрушается даже при меньших значениях силы прижима инструмента. Угол наклона окалинолома-теля, окружная скорость инструмента и сила его прижима к обрабатываемой поверхности оказывают положительное влияние на степень очистки образцов от окалины. Подача образца оказывает отрицательное влияние на степень очистки, т.е. с возрастанием подачи степень очистки снижается.
Полученные зависимости наглядно приведены на рис. 3-6. На графиках верхняя линия соответствует самым благоприятным значениям факторов, т.е. максимальным значениям факторов, которые оказывают положительное влияние на очистку от окалины, и минимальному значению подачи. Нижняя линия соответствует самым неблагоприятным значениям факторов, а средняя линия - их средним значениям.
Как видно из рис. 3, с возрастанием угла наклона окалиноломателя степень очистки поверхности образцов возрастает. Наилучшая очистка от окалины достигается при угле наклона более 4 градусов, но при благоприят-
окалины
Факторы Обо-значения Кодовые обозначения -1 нижний 0 основ-ной +1 верхний Интервал варьи-рова-ния
Угол наклона окалино- ломателя, град. а 1 3 5 4
Скорость вращения инструмента, м/мин V X 2 63 110 157 94
Сила прижима, Н Р X 3 40 52,5 65 25
Подача заготовки, м/мин £ X 4 1 2,5 4 3
ных прочих условиях обработки, а именно при максимальной окружной скорости инструмента, при максимальной силе прижима его к обрабатываемой поверхности и при минимальной подаче образцов.
Рис. 3. Зависимость степени очистки от окалины от угла наклона окалиноломателя в направлении вращения
Влияние угла наклона окалиноломателя на степень очистки поверхности от окалины объясняется влиянием сил трения, действующих в месте закрепления окалиноломателя в корпусе устройства.
В месте крепления окалиноломателя в корпусе устройства возникает сила трения от действия тангенциальной силы его взаимодействия с окалиной, которая совместно с силой воздействия пружины препятствует перемещению окалиноломателя вдоль его оси. Но когда угол наклона мал, то эти силы близки к силе, действующей на окалиноломатель вдоль его оси, возникающей при взаимодействии его с окалиной. Поэтому, если края у окалины пологие, то вертикальная сила взаимодействия ока-линоломателя с окалиной превышает силу давления пружины и силу трения, и окалинолома-тель «пролетает» над окалиной, не повреждая ее. Если окалиноломатель расположен под углом к направлению вращения, то вертикальная сила взаимодействия с окалиной раскладывается на две составляющие: силу, направленную вдоль оси окалиноломателя, и силу, направленную в поперечном направлении к оси окалино-ломателя. С увеличением угла наклона составляющая силы, направленная вдоль оси окали-ноломателя, уменьшается, что снижает возможность его смещения вдоль его оси. Наоборот, сила, направленная перпендикулярно к оси окалиноломателя, вызывает дополнительный
момент трения окалиноломателя в месте его крепления в корпусе устройства, что усиливает действие пружины и сил трения. При определенном угле наклона окалиноломатель буквально заклинивает в корпусе устройства в момент встречи с окалиной. При этом его воздействие на окалину многократно возрастает и приводит к ее разрушению.
Но при слишком большом угле наклона начинает проявляться действие переднего угла окалиноломателя. С возрастанием угла наклона окалиноломателя возрастает значение отрицательного переднего угла рабочей части инструмента, что способствует возрастанию выталкивающей силы, действующей на окалинолома-тель. Это снижает действие заклинивающего эффекта и может привести к отрицательному результату.
На рис. 4 приведены графики, иллюстрирующие влияние на степень очистки образцов от окалины окружной скорости инструмента. Как видно, с возрастанием скорости инструмента степень очистки образцов возрастает. Но при неблагоприятных значениях прочих факторов степень очистки является невысокой. И только при наиболее благоприятных значениях прочих факторов при окружной скорости вращения инструмента выше 86 м/мин степень очистки образцов от окалины достигает 100%.
Рис. 4. Влияние на степень очистки от окалины окружной скорости вращения инструмента
Как уже было отмечено выше, влияние окружной скорости инструмента объясняется тем, что при ее возрастании увеличивается сила удара рабочей части инструмента по передней грани окалины. Ввиду высокой хрупкости окалины она весьма чувствительна к ударам. Под действием удара разрушается передняя грань
окалины, и внутри окалины появляются трещины, что способствует ее удалению с обрабатываемой поверхности под действием окалиноло-мателя.
Однако слишком высокая окружная скорость вызывает повышенный износ инструмента, а следовательно, увеличивает затраты на его замену. Кроме того, при высоких скоростях может возникнуть температура, при которой на обрабатываемой поверхности появляются недопустимые изменения поверхностного слоя и другие дефекты.
На рис. 5 приведены зависимости степени очистки от окалины от силы прижима инструмента к обрабатываемой поверхности. Как видно, с возрастанием силы прижима степень очистки образцов от окалины возрастает. Объясняется это тем, что сила прижима препятствует перемещению окалиноломателя вдоль своей оси при встрече рабочей части инструмента с пологой кромкой окалины. Чем более пологая кромка окалины, тем большая выталкивающая сила взаимодействия рабочей части инструмента с окалиной действует вдоль оси окалиноломателя. При некоторых своих значениях она начинает превышать силу прижима окалиноломателя к обрабатываемой поверхности, что приводит к смещению окалиноломате-ля вдоль его оси. Это уменьшает возможность разрушения окалины.
Рис. 5. Зависимость степени очистки от окалины от силы прижима инструмента к обрабатываемой поверхности
Из графика также видно, что при неблагоприятных значениях прочих факторов степень очистки от окалины является невысокой даже при значительной силе прижима окалинолома-теля к обрабатываемой поверхности. И только при благоприятных значениях силы прижима,
превышающих 46 Н, окалина полностью удаляется с обрабатываемой поверхности.
Действие величины подачи образцов противоположно характеру действия рассмотренных выше факторов. Как видно из рис. 6, с возрастанием значений подачи степень очистки окалины уменьшается. Объясняется это тем, что с возрастанием подачи увеличивается сила взаимодействия рабочей части инструмента с окалиной. При этом увеличивается и составляющая этой силы, направленная вдоль оси ока-линоломателя. Во многих случаях это приводит к смещению окалиноломателя вдоль своей оси и инструмент «пролетает» над окалиной без ее повреждения. При неблагоприятных значениях прочих факторов даже при низких значениях подачи степень очистки образцов от окалины невелика. При благоприятных значениях прочих факторов и при подаче менее 2 м/мин окалина удаляется практически полностью.
Рис. 6. Влияние на степень очистки образцов от окалины величины подачи образцов
Следует отметить, что наиболее значительное влияние на степень очистки от окалины оказывает сила прижима инструмента к обрабатываемой поверхности. Из графиков на рис. 5 видно, что увеличение силы прижима всего в 1,6 раза приводит к увеличению степени очистки от окалины в 1,5 раза. Такого же эффекта можно добиться, если угол наклона окалиноломателя увеличить в 5 раз (рис. 3), окружную скорость увеличить в 2,5 раза (рис. 4), а подачу снизить в 5 раз (рис. 6).
Заключение
1. Предложен перспективный способ удаления окалины с поверхности листового проката, который можно использовать в условиях любого, даже небольшого механообрабатыва-ющего предприятия.
2. Проведены экспериментальные исследования, доказывающие высокую эффективность предлагаемого способа.
3. Предложенным способом обеспечивается надежное удаление окалины даже в случае, если она очень прочно закреплена на обрабатываемой поверхности.
4. Полученная регрессионная зависимость позволяет определить наиболее благоприятные режимы для удаления окалины с проката.
Литература
1. Определение основных параметров устройств для гидравлического удаления окалины / В.И. Руденко,
Г.С. Суков, Р.В. Руденко и др. // Металлургическая и горнорудная промышленность. 2004. № 4. С. 28-30.
2. Теоретическое исследование процесса прохождения горячекатаной полосы через изгибно-растяжной окалиноломатель непрерывно-травильного агрегата/ Н.Н. Огарков, Д.В. Суфьянов, Е.А. Мурзаева, В.В. Курбан // Производство проката. 2012. № 10. С. 31-34.
3. Исследование возможности наиболее полного удаления окалины с поверхности катанки перед волочением / В.В. Парусов, А.Н. Савьюк, А.Б. Сычков и др. // Металлург. 2004. № 6. С. 69-72.
4. Меркулов А.А., Ефимов С.А., Королев А.В. Математическое моделирование процесса роторной очистки металлического проката от окалины // Математические методы в технике и технологиях - ММТТ-27: сб. тр. XXVII междунар. науч. конф. Тамбов, 2014. Т. 5. С. 133137.
5. Заявка 2014105408/02 Российская Федерация, МПК B08B 1/04 (2006.01). Способ очистки поверхности / Королев А.В., Королев А.А. (РФ); заявитель Королев А.В., Королев А.А.; заявл. 13.02.2014; опубл. 20.08.2015, Бюл. № 23.
6. Планирование эксперимента при поиске оптимальных условий/ Ю.П. Адлер и др. М.: Наука, 1971. 250с.
7. Румшиский Л.З. Математическая обработка результатов эксперимента. М.: Наука, 1976. 192 с.
Поступила 28.04.2020; принята к публикации 17.06.2020 Информация об авторах
Королев Альберт Викторович - д-р техн. наук, профессор кафедры «Технология и системы управления в машиностроении», Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. (410054, Россия, г. Саратов, ул. Политехническая, д. 77), е-таД: science7@bk.ru, тел.+7-905-326-98-92
Панфилова Анастасия Вячеславовна - аспирант кафедры «Технология и системы управления в машиностроении», Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. (410054, Россия, г. Саратов, ул. Политехническая, д. 77), е-таД: anastasiypanfilova@idoud.com
Решетникова Ольга Павловна - канд. техн. наук, доцент кафедры «Технология и системы управления в машиностроении», Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. (410054, Россия, г. Саратов, ул. Политехническая, д. 77), е-mail: olgareshetnikova1@yandex.ru, тел.+7-961-645-18-44
Изнаиров Борис Михайлович - канд. техн. наук, доцент кафедры «Технология и системы управления в машиностроении», Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. (410054, Россия, г. Саратов, ул. Политехническая, д. 77), е-mail: bageev1@mail.ru, тел.+7-962-622-81-74
Васин Алексей Николаевич - д-р техн. наук, профессор кафедры «Технология и системы управления в машиностроении», Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. (410054, Россия, г. Саратов, ул. Политехническая, д. 77), е-mail: vasin@sstu.ru, тел. +7-8452-99-87-90
RESEARCH OF THE EFFECT OF PROCESSING MODES ON THE EFFICIENCY OF CLEANING SHEET METAL FOR HOLLOW BALLS FROM SCALE
A.V. Korolev A.V. Panfilova, O.P. Reshetnikova, B.M. Iznairov, A.N. Vasin Yuri Gagarin State Technical University of Saratov, Saratov, Russia
Abstract: the article discusses the possibilities of a new simple and effective method of removing scale from the surface of sheet steel intended for the manufacture of hollow balls, as well as the results of the experimental studies. We describe a device for implementing the new method and a mechanism for its interaction with the treated surface. We show the selection of technological factors, such as the angle of inclination of the scalebreaker in the direction of its rotation, the circumferential speed of rotation of the scalebreaker, the force of pressing the tool to the surface to be treated, and the movement of the sample, which have the greatest influence on the main quality parameters of the surface cleared of scale and processing performance. We developed an incomplete factorial experiment plan. In accordance with the developed plan, we carried out experimental studies, as a result of which we obtained the values of the response function for various combinations of factor levels. According to the results of the study, we constructed the dependences of the degree of cleaning of the sheet
surface from scale on the main influencing factors and obtained a mathematical model of the process under study in the form of a regression equation, which made it possible to determine the most favorable modes for descaling from rolled metal. The proposed method ensures reliable removal of scale even if it is very firmly fixed to the machined surface of sheet metal
Key words: hollow balls, experimental studies, scale, rolling, processing modes, regression equation, mathematical model
Acknowledgements: the study was carried out with the financial support of the grant of the President of the Russian Federation for governmental support of young Russian scientists (PhD) Grant No. MK-2395.2020.8
References
1. Rudenko V.I., Sukov G.S., Rudenko R.V. et al. "Determination of the main parameters of devices for hydraulic descaling", Metallurgical and Mining Industry (Metallurgicheskaya i gornorudnaya promyshlennost'), 2004, no. 4, pp. 28-30.
2. Ogarkov N.N., Sufyanov D.V., Murzaeva E.A., Kurban V.V. "Theoretical study of the process of passing a hot-rolled strip through a bending-tensile scale breaker of a continuous etching unit", Rolled Products (Proizvodstvo prokata), 2012, no. 10, pp. 3134
3. Parusov V.V., Sav'yuk A.N., Sychkov A.B. et al. 'Investigation of the possibility of the most complete removal of scale from the surface of a wire rod before drawing", Metallurgist (Metallurg), 2004, no. 6, pp. 69-72
4. Merkulov A.A., Efimov S.A., Korolev A.V. 'Mathematical modeling of the process of rotary cleaning of rolled metal from scale", Mathematical Methods in Engineering and Technology - MMTT-27: proc. of the XXVII Int. Scientific Conf. (Matematicheskie metody v tekhnike i tekhnologiyakh - MMTT-27: sb. tr. XXVII mezhdunar. nauch. konf.), Tambov, 2014, vol. 5, pp. 133-137
5. Korolev A.V., Korolev A.A. "A method of cleaning the surface" ("Sposob ochistki poverkhnosti"), Application 2014105408/02 Russian Federation, IPC B08B 1/04 (2006.01), declared 02/13/2014; publ. 08/20/2015, bull. no. 23
6. Adler Yu.P. et al. "Planning an experiment in the search for optimal conditions" ("Planirovanie eksperimenta pri poiske opti-mal'nykh usloviy"), Moscow, Nauka, 1971, 250 p.
7. Rumshiskiy L.Z. "Mathematical processing of experimental results" ("Matematicheskaya obrabotka rezul'tatov eksperimenta"), Moscow, Nauka, 1976, 192 p.
Submitted 28.04.2020; revised 17.06.2020 Information about the authors
Al'bert V. Korolev, Dr. Sc. (Technical), Professor, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov (77 Politekhnicheskaya str., Saratov 410054, Russia), e-mail: science7@bk.ru, tel.: +7-905-326-98-92
Anastasiya V. Panfilova, Graduate student, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov (77 Politekhnicheskaya str., Saratov 410054, Russia), e-mail: anastasiypanfilova@icloud.com
Ol'ga P. Reshetnikova, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov (77 Politekhnicheskaya str., Saratov 410054, Russia), e-mail: olgareshetnikova1@yandex.ru, tel.: +7-961-645-18-44 Boris M. Iznairov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov (77 Politekhnicheskaya str., Saratov 410054, Russia), e-mail: bageev1@mail.ru, tel.: +7-962-622-81-74
Aleksey N. Vasin, Dr. Sc. (Technical), Professor, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov (77 Politekhnicheskaya str., Saratov 410054, Russia), e-mail: vasin@sstu.ru, tel.: +7-8452-99-87-90
