CC BY
20Шрубченко И. В., д-р техн. наук, проф., Рыбалко В. Ю., аспирант, Мурыгина Л. В., аспирант, Щетинин Н. А., аспирант Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова
К ИССЛЕДОВАНИЮ РЕЖИМОВ ЛЕНТОЧНОГО ШЛИФОВАНИЯ ПОВЕРХНОСТЕЙ КАЧЕНИЯ БАНДАЖЕЙ И РОЛИКОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ
БАРАБАНОВ
shrubens@yandex.ru
Предложено использовать ленточное шлифование для обработки крупногабаритных изделий, таких как, бандажи и опорные ролики технологических барабанов. Представлены некоторые аспекты исследований по формированию шероховатости поверхностей. Установлены основные факторы, оказывающие влияние на формирование поверхности. Представлены номограммы режимов ленточного шлифования для различных типоразмеров бандажей.
Ключевые слова бандаж, мобильные технологии, шлифовальная головка, бесконечная шлифовальная лента, зернистость ленты, шероховатость поверхности, твердость ролика, режимы ленточного шлифования, построение номограмм.
Для обеспечения заданной точности формы поверхностей крупногабаритных деталей, например, таких как бандажи и ролики вращающихся технологических барабанов (ТБ), широко применяют различное мобильное оборудование. Такое оборудование позволяет осуществлять обработку поверхностей непосредственно на работающем агрегате, без остановки производственного процесса. На кафедре технологии машиностроения Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова была разработана и успешно апробирована конструкция универсального встраиваемого станка модели УВС-01 [1]. Технологический процесс с применением такого станка предполагает в основном лезвийную обработку со съемом больших по величине припусков. Следует иметь в виду, что особенностью обработки поверхностей качения бандажей ТБ является бесцентровая схема, поэтому режимы обработки требуют тщательного подбора и анализа и особенно это относится к величине снимаемого припуска. Ряд проведенных ранее исследований [2, 3] показал, что оптимальной глубиной резания для таких схем обработки является достаточно большие величины, которые могут достигать более 3...4 мм. Однако при таких жестких режимах в технологической системе возникают значительные по величине силы резания, а значит и отжатия, что, в конце концов, не позволяет получить необходимой точности. Очевидно, чтобы повысить точность обработки поверхностей качения бандажей, требуется осуществлять съем существенно меньших по величине припусков за каждый рабочий ход. Так как длина обрабатываемых поверхностей достигает 1000.1100 мм, то при частоте вращения 1 об/мин для бандажа диаметром 6100 мм, основное время одного рабочего хода может достигать примерно 1000 мин. Безусловно, уменьшение глубины резания повлечет за собой значительное увеличение необходимо-
го времени. Попытки увеличения производительности за счет изменения подачи и геометрии режущего инструмента также не всегда позволяют обеспечить надлежащее качество обработки. Чтобы обеспечить необходимую точность и шероховатость поверхности требуется с одной стороны существенно уменьшить глубину резания на каждом рабочем ходе, а с другой стороны - уменьшить основное время выполнения рабочего хода. Такую противоречивую задачу позволит решить применение ленточно-абразивной обработки.
С целью расширения технологических возможностей предложено конструкцию универсального встраиваемого станка УВС-01 оснастить шлифовальной головкой рис. 1 [4]. Установка, оснащенная бесконечной шлифовальной лентой 1, базируется на траверсе 2 динамического самоустанавливающегося суппорта (ДСС). В конструкции предусмотрены сменные опоры: одиночные ролики 3, роликовые блоки 4 или плоские опоры 5, применение которых позволяет по разному осуществлять влияние на динамику процесса формирования поверхности при таких схемах обработки. Кроме того, конструкция ДСС позволяет изменять также межосевой размер опор и радиальное положение шлифовальной установки, что также оказывает влияние на процесс формирования поверхности. Вся конструкция ДСС имеет несколько степеней свободы: покачивание вокруг шарниров 6 и осевые перемещения относительно продольного суппорта станка, что в свою очередь позволяет осуществлять копирование глобальных перемещений, вызываемых взаимным влиянием погрешности бандажа с опорами технологического барабана. Применение ленточного шлифования для таких крупногабаритных изделий как бандажи и опорные ролики ТБ, является принципиально новой задачей и требует проведения ряда исследований, как по формированию точности,
так и шероховатости поверхностей. В данной статье представлены некоторые аспекты исследований по формированию шероховатости поверхностей качения бандажей.
С учетом ранее проведенных исследований [5] было установлено, что при ленточном шлифовании с постоянным усилием прижима основными факторами, оказывающими влияние на шероховатость поверхности, являются: зернистость абразивной ленты твердость обрези-ненного покрытия контактного ролика Н и скорость изделия V,,.
3 2
Для вычисления параметров и построения номограмм будем использовать математическую модель [5]:
Я = 2,25 -10^.
а ' 3 и
Используя эту математическую модель и варьируя два из трех факторов, можно получить те значения третьего фактора, которые позволят получить необходимую шероховатость поверхности.
Ниже представлен текст программы для определения необходимой твердости контактного ролика, чтобы обеспечить при обработке шероховатость поверхности - Яа 5. Значения зернистости применяемой ленты взяты стандартными, в диапазоне 18...80. Значения скорости резания взяты для различных диаметров бандажей ТБ при частоте вращения 1 об/мин. Получился диапазон фиксированных значений от 11,62 до 26,53 м/мин. Расчеты производились в среде математического моделирования МаШСАБ.
Ra := 5- Задание значения требуемой шероховатости. ORЮIN:= 1- Вводится для начала отсчета с единицы.
AJJLXJLUXXAJJL
Рис. 1. Универсальный встраиваемый станок УВС-01, оснащенный шлифовальной установкой Для обеспечения заданного уровня шероховатости поверхности бандажей ТБ необходимо получить оптимальные значения вышеприведенных параметров. Учитывая возможность их варьирования в значительных диапазонах, построим номограммы, которые позволят выбирать необходимые режимы для различных схем и параметров обработки применительно к обработке поверхностей качения бандажей и роликов ТБ.
d :=
f 18> f 11.62
20 12.25
25 13.53
32 15.23
V :=
40 AW 17.17
50 19.15
63 21.35
v 80y v 26.53,
Ввод значений зернистости шлифовальной ленты и значений скорости резания
n1 := length (d) n2 := length (V)
Функции определения количества элементов в матрице. for i1 е 1.. n1 for i2 е 1.. n2
log(Ra) + 3.6481-2.0507log(d.^ - 0.1313log(V.2)
(1.6939- 0.7805log(d.^
m ■ т ^ i1,i2
Цикл последовательного вычисления значений логарифма твердости контактного ролика в зависимости
от варьируемых параметров
Xm := for i1 е 1.. n1 Ym := for i1 е 1.. n1 for i2 е 1.. n2 for i2 е 1.. n2
m., ., ^ d. i1,i2 i1
m m
Задание матриц значений зернистости и скорости резания.
m . ^ V i1,i2 i2
H :=
AW
for i1 е 1.. n1 for i2 е 1.. n2
m4 .. ^ 10 i1, i2
,zi1, i2
m
z :=
Н =
Цикл вычисление значений твердости контактного ролика (193.478 191.609 188.14 184.09 180.077 176.5 173.006 166.232
185.649 183.762 180.261 176.179 172.138 168.541 165.031 158.237
167.372 165.458 161.915 157.794 153.726 150.115 146.601 139.826
144.08 142.169 138.64 134.551 130.532 126.978 123.533 116.929
119.853 117.994 114.573 110.627 106.769 103.375 100.099 93.864
92.429 90.704 87.542 83.921 80.406 77.334 74.389 68.839
61.205 59.757 57.123 54.138 51.273 48.797 46.448 42.091
^ 28.865 27.921 26.227 24.344 22.574 21.075 19.68 17.164^ Полученные значения твердости контактного ролика
Поверхность отклика модели можно представить как геометрическое место точек, отвечающих только одному, конкретно заданному уровню параметра шероховатости Яа. При этом во всем факторном пространстве для двух произвольно выбранных значений варьируемых факторов найдется единственное значение третьего, при котором результат их взаимодействия будет находиться на поверхности отклика. В этом случае поверхность отклика модели можно использовать в практических целях как номограмму для определения рациональных режимов ленточного шлифования по гарантированному обеспечению заданной шероховатости поверхности. Из рассматриваемых параметров фикси-
а
рованными чаще всего являются шероховатость и зернистость. Скорость резания также можно задать дискретными значениями. Следовательно, свободным фактором можно использовать твердость контактного ролика.
На рис. 2 представлены номограммы режимов ленточного шлифования для различных типоразмеров бандажей. Рассматривались восемь различных диаметров, значения скорости резания при обработке которых составляют: \и = 11,62; 12,25; 13,53; 15,23; 17,17; 19,15; 21,35; 26,53 м/мин. Зернистость ленты задавалась посредством диаметра зерна, который составил: й3
= 1810"2; 2010"2; 2510" 63 10"2; 8010"2 мм.
3210"2; 4010"2; 5010"2;
б
в
г
Рис. 2. Номограммы параметров режима ленточного шлифования различных типоразмеров бандажей по гарантированному обеспечению параметров шероховатости поверхности:
а - Яа < 5 мкм; б - Яа < 6,3 мкм; в - Яа < 12,5 мкм; г - Яа < 25 мкм
Анализ полученных номограмм показывает, что на обеспечение параметров шероховатости Яа < 5 мкм и Яа < 6,3 мкм значительное влияние оказывает зернистость шлифовальной ленты. Чем меньше зернистость ленты, тем твердость контактного ролика может быть меньше. Для обеспечения параметров шероховатости Яа < 12,5 мкм и Яа < 25 мкм наблюдается несколько обратная зависимость: чем меньше зернистость - тем твердость контактного ролика должна быть больше.
а
в
На рис. 3 представлены номограммы режимов ленточного шлифования поверхностей качения бандажей при обработке на специальном стенде [6]. Значения диаметров обрабатываемых поверхностей выбирались аналогичными значениям, выбранным в предыдущей задаче. Однако, учитывая возможности привода главного движения специального стенда, скорость резания изменялась в пределах от 1 до 22 м/мин с шагом 3 м/мин.
б
г
Рис. 3. Номограммы параметров режима ленточного шлифования при моделировании обработки бандажей на стенде по гарантированному обеспечению параметров
шероховатости поверхности:
а - Яа < 5 мкм; б - Яа < 6,3 мкм; в - Яа < 12,5 мкм; г - Яа < 25 мкм.
Анализ этих номограмм показывает, что на обеспечение шероховатости Яа < 5 мкм и Яа < 6,3 мкм значительное влияние оказывают оба параметра: при уменьшении зернистости и увеличении скорости резания необходимая твердость контактного ролика уменьшается. Для обеспечения шероховатости Яа < 12,5 мкм и Яа < 25 мкм наблюдается следующая зависимость: при уменьшении зернистости и небольших зна-
чениях скорости резания требуемая твердость контактного ролика увеличивается; при увеличении скорости резания значения требуемой твердости снижается. Также при одинаковых значениях скорости резания и зернистости, значения твердости увеличиваются с ростом значения шероховатости. В табл. 1 представлены некоторые значения расчетных режимов для обеспечения шероховатости Яа < 5 мкм.
Таблица 1
Расчетные значения параметров режима ленточного шлифования по гарантированному
Скорость из- Зернистость ленты d3-10-2, мм Твердость ро- Скорость Зернистость Твердость ро-
делия лика Hs, ед. по изделия ленты лика Hs, ед. по
vu, м/мин Шору vu, м/мин d3-10-2, мм Шору
18 193,478 18 166,232
20 185,649 20 158,237
25 167,372 25 139,826
11,62 32 144,08 26,53 32 116,929
40 119,853 40 93,864
50 92,429 50 68,839
63 61,205 63 42,091
80 28,865 80 17,164
Однако, лучшие условия по обеспечению привода вращения шлифовальной ленты все же обеспечивают контактные круги обрезиненные. Поэтому возникает необходимость в исследовании зависимости режимов ленточного шлифования при стабильной твердости контактного круга Н = 90 А по Шору. В табл. 2. представлены результаты расчета, полученные для таких условий.
Результаты исследования показывают, что применение ленточного шлифования для обеспечения требуемого качества поверхностей качения бандажей и опорных роликов возможно и полученные номограммы можно использовать для определения оптимальных значений режимов.
Шероховатость поверхности качения бандажа, получаемая при ленточно-абразивной обработке (твердость контактного ролика
Таблица 2
Скорость изделия vu, м/мин Зернистость ленты d3-10-2, мм Шероховатость поверхности Ra, мкм Скорость изделия vu, м/мин Зернистость ленты d3-10-2, мм Шероховатость поверхности Ra, мкм
21,35 18 3,133 26,53 18 3,224
20 3,311 20 3,407
25 3,723 25 3,831
32 4,239 32 4,362
40 4,766 40 4,904
50 5,359 50 5,514
63 6,051 63 6,226
80 6,86 80 7,059
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Пат. 89012 Российская Федерация, МПК7 В23В 5/00. Станок для обработки бандажей / Шрубченко И.В., Кузнецова И.И., Колобов А.В., Шрубченко М.И.; заявитель и патентообладатель: Белгор. гос. технол. ун-т им. В.Г. Шухова. - №2009101625/22; заявл. 19.01.09; опубл.27.11.09 , Бюл. №33 - 2с.
2. Оптимизация параметров бесцентровой обработки крупногабаритных бандажей технологических барабанов на основе математического моделирования / И.В. Шрубченко, И.И. Кузнецова, А.В. Колобов, М.И. Шрубченко // Технология машиностроения. 2008. № 2. С. 55-59.
3. Шрубченко И.В. Предмонтажная и окончательная обработка поверхностей опор при сборке крупногабаритных технологических
барабанов // Сборка в машиностроении, приборостроении. 2006. №10. С. 3-8.
4. Пат. 97954 Российская Федерация, МПК7 В 23 В 5/00. Станок для обработки бандажей / Мурыгина Л.В., Шрубченко И.В., Архипова Н.А.; заявитель и патентообладатель: Белгор. гос. технол. ун-т им. В.Г. Шухова. - № 2010119624 / 02; заявл. 17.05.2010; опубл. 27.09.2010, Бюл. №27 - 3с.
5. Соколова Л.С. Шлифование абразивными лентами с постоянной силой прижима. М.: Компания Спутник, 2005. - 146 с.
6. Шрубченко И.В. О необходимости обработки поверхностей бандажей технологических барабанов при их сборке // Тяжелое машиностроение. 2006. №10. С. 27-29.
