CC BY
17
Оригинальная статья / Original article УДК 621.01
DOI: 10.21285/1814-3520-2017-7-10-25
ОСОБЕННОСТИ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ПРИ ВОССТАНОВИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКЕ БАНДАЖЕЙ ПЕРЕНОСНЫМИ СТАНКАМИ
© М.С. Гончаров1, А.В. Хуртасенко2, И.В. Шрубченко3
Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова, Российская Федерация, 308012, г. Белгород, ул. Костюкова, 46.
РЕЗЮМЕ. ЦЕЛЬ. Определение режимов резания, минимизирующих отклонение от круглости профиля бандажа при восстановительной неуправляемой обработке с учетом влияния этого процесса на функционирование технологического барабана. МЕТОДЫ. При решении поставленных задач применялась кинематическая модель механической обработки бандажа технологического барабана, основанная на численных методах исследования, аппроксимации, минимизации и интерполяции функций нескольких переменных. РЕЗУЛЬТАТЫ. Установлено, что достигаемое в результате восстановительной обработки отклонение от круглости профиля бандажа зависит от особенностей технологической базы. Связанные с этим конструктивные решения систематизированы и рассмотрено их влияние на формообразование. Проанализировано влияние трех видов погрешностей формы бандажей на процесс их обработки. Для каждого из них найдены глубина резания и число проходов, уменьшающие отклонение от круглости. Рассмотрены режимы с разной глубиной резания на каждом проходе. Выяснено, что процесс неуправляемой восстановительной обработки бандажей на опорных роликах заключается в приближении к такой вписанной в исходный профиль окружности, которая имеет с ним максимальное число равномерно распределенных точек касания. Для этой окружности выполняется минимум отклонения от круглости бандажа и происходит искривление оси корпуса технологического барабана, а в некоторых случаях даже сохраняются его нежелательные перемещения. ЗАКЛЮЧЕНИЕ. Неуправляемая восстановительная обработка бандажей будет эффективной только для исправления таких погрешностей, когда сохраняется совпадение центров бандажа и корпуса технологического барабана. В противном случае необходимо построение специального технологического процесса с системой управления положением инструмента.
Ключевые слова: бандаж, восстановительная обработка, формообразование, отклонение от круглости, бесцентровая схема.
Формат цитирования: Гончаров М.С., Хуртасенко А.В., Шрубченко И.В. Особенности формообразования при восстановительной обработке бандажей переносными станками // Вестник Иркутского государственного технического университета. 2017. Т. 21. № 7. С. 10-25. DOI: 10.21285/1814-3520-2017-7-10-25
FEATURES OF FORMING AT SHROUD RESTORATIVE MACHINING BY PORTABLE MACHINE TOOLS M.S. Goncharov, A.V. Khurtasenko, I.V. Shrubchenko
Belgorod State Technological University named after V.G. Shukhov, 46, Kostyukov St., Belgorod, 308012, Russian Federation.
ABSTRACT. The PURPOSE of the paper is determination of cutting modes minimizing the deviation from roundnesss of the shroud profile under restorative uncontrolled machining with regard to the effect of this process on technological drum operation. METHODS. The set problems were solved through the application of a kinematic model of technological drum shroud machining based on numerical research methods, approximation, minimization and interpolation of functions of several variables. RESULTS. It is determined that the deviation from roundness of the shroud profile achieved as a result of restorative processing depends on the features of the technological base. Associated design solutions are systematized and their influence on shape formation is considered. The influence of three error types of shroud shapes on their processing process is analyzed. A cutting depth and number of passes reducing the deviation from roundness are found for each type. Consideration is given to the modes with different cutting depths at each passage. It is found out that the process of uncontrolled restorative machining of shrouds on support rollers consists in approaching such a circle in-
Гончаров Михаил Сергеевич, аспирант, e-mail: [email protected] Mikhail S. Goncharov, Postgraduate student, e-mail: [email protected]
2Хуртасенко Андрей Владимирович, кандидат технических наук, доцент кафедры технологии машиностроения, e-mail: [email protected]
Andrei V. Khurtasenko, Candidate of technical sciences, Associate Professor of the Department of Mechanical Engineering Technology, e-mail: [email protected]
3Шрубченко Иван Васильевич, доктор технических наук, профессор кафедры технологии машиностроения, e-mail: [email protected]
Ivan V. Shrubchenko, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Mechanical Engineering Technology, e-mail: [email protected]
©
©
scribed in the initial profile which has the maximum number of evenly distributed tangency points with it. Minimum deviations from shroud circularity is performed for this circle and the axis of the drum body bends. In some cases the undesirable displacements of the drum body are also preserved. CONCLUSION. Uncontrolled restorative machining of shrouds will be effective only for the correction of such errors under which the coincidence of the centers of the shroud and the body of the technological drum is preserved. Otherwise, it is necessary to develop a special technological process with the system controlling the position of the tool.
Keywords: shroud, restorative machining, shaping, deviation from roundness, centerless scheme
For citation: Goncharov M.S., Khurtasenko A.V., Shrubchenko I.V. Features of forming at shroud restorative machining by portable machine tools. Proceedings of Irkutsk State Technical University. 2017, vol. 21, no. 7, pp. 10-25. (In Russian) DOI: 10.21285/1814-3520-2017-7-10-25
Введение
Мобильные технологии восстановительной обработки крупногабаритных деталей технологического оборудования находят применение во многих отраслях промышленности [1-4]. Наибольшую сложность при этом представляет механическая обработка бандажей технологических барабанов без остановки производства. Данная обработка выполняется переносными станками, которые специальным образом размещаются на фундаменте опоры технологического барабана и используют его вращение для шлифования или точения поверхности качения бандажа. Такая восстановительная обработка позволяет устранить нежелательные движения корпуса технологического барабана, обусловленные погрешностью формы бандажа, которая, как правило, вызывается неравномерным износом вследствие ошибок как при монтаже бандажа, его опор, так и при их эксплуатации.
На практике, несмотря на многочисленные позитивные результаты исследований в этой области [5-9], такие технологии
применяют не в полной мере. Это связано с тем, что упругость бандажа, опорных узлов, станка и, наконец, упругие и тепловые деформации самого технологического барабана, корпус которого имеет многоопорное бесцентровое базирование, существенно влияют на результат, а в некоторых случаях даже исключают саму возможность механической обработки подвижных деталей работающего технологического оборудования. Моделирование таких нелинейных взаимосвязанных явлений затруднительно, что объясняет отсутствие однозначных теоретических выводов и необходимость продолжения поиска путей решения данной задачи с привлечением возможностей современных компьютерных систем.
Цель данного исследования - определение режимов резания, минимизирующих отклонение от круглости при восстановительной неуправляемой обработке профиля бандажа, с учетом влияния этого процесса на функционирование технологического барабана.
Методика исследования
Поставленную задачу будем рассматривать при следующих допущениях:
- механическая обработка проводится при постоянной температуре;
- бандаж вращается вместе с корпусом технологического барабана (проскальзывания между ними отсутствуют) с постоянной скоростью;
- между бандажом и опорными роликами скольжение отсутствует;
- роликоопоры не имеют погрешно-
стей положения и являются абсолютно жесткими;
- ролики имеют номинальные форму и размеры.
При этих условиях процесс резания будем анализировать с помощью кинематической модели [10] формообразования профиля бандажа на протяжении как одного его оборота, так и в целом для всех проходов, которые потребуются для исправления погрешности формы.
Взаимодействие бандажа с опорными роликами и инструментом
Рассмотрим процесс восстановительной обработки бандажей при исправлении погрешности формы нескольких видов. Они связаны между собой тем, что перед началом эксплуатации профиль всех бандажей был одинаковым и представлял собой окружность с радиусом 2425 мм. Геометрический центр этой окружности -т. О (рис. 1, a) - принят за полярный полюс при формализации профилей бандажей.
Исходные профили бандажа синтезированы в системе MATLAB (MathWorks, Inc.) в виде файлов данных [11] и имеют ряд приведенных ниже особенностей (подробнее см. [12]).
Поперечное сечение бандажа с профилем Cam состоит из четырех участков (с центральным углом ß = л/2, связывающим границы участка), на двух из которых радиус постоянен и равен или R0 = 2421 мм, или RH = 2425 мм. На соседних участках радиус соответственно монотонно или увеличивается, или уменьшается.
Овальность представлена профилем Cassini при коэффициенте с = 70 уравнения Кассини и минимальном радиусе R0 = 2422,98 мм.
Одну из возможных погрешностей, связанных с монтажом бандажа, демонстрирует профиль Corner. Он состоит из двух одинаковых сегментов окружности (RH = 2425 мм) с центрами, смещенными друг от друга в радиальном направлении на 2 мм. Выступы с каждой стороны на величину смещения сегментов отсутствуют, поскольку сегменты в этих местах обработаны до параллельных лысок. Полярный полюс совпадает с геометрическим центром одного из сегментов.
Для выявления особенностей результатов обработки каждого профиля будем сравнивать их с результатами обработки номинального профиля Const с постоянным радиусом RH = 2425 мм.
Сначала на примере бандажа с профилем Cam рассмотрим влияние его движения на эксплуатацию технологического барабана и конструкцию переносных станков. На рис. 2 представлены результаты моделирования движения корпуса технологического барабана над опорой базирования бандажа с профилем Cam.
Траектории геометрического центра бандажа (т. О) и мгновенного центра скоростей (т. К) позволяют сделать вывод о том, что бандаж совершает сложное плоскопараллельное движение относительно неподвижной опоры.
Следовательно, во-первых, корпус технологического барабана над этой опорой перемещается вместе с бандажом: по вертикали - на 4,68 мм, по горизонтали -на 7,63 мм. Это вызывает вредные сопротивления движению, влияет на усталостную прочность корпуса технологического барабана и состояние его футеровки; во-вторых, точки поверхности качения бандажа перемещаются относительно неподвижной системы координат Y101X1 по разным траекториям (см. рис. 1, a). Поэтому для контролируемой механической обработки инструмент должен или располагаться неподвижно в специальных зонах, или совершать такие движения, при которых обрабатываемая поверхность будет перемещаться относительно него так же, как поверхность вращающейся заготовки, закрепленной в центрах.
Для первого случая будем рассматривать механическую обработку универсальным встраиваемым станком, расположенным между опорами (УВС-М) (рис. 1, a) [5]. Во втором случае инструмент или закрепляют в динамическом самоустанавливающемся суппорте (ДСС), позволяющем реализовать разнообразные варианты расположения станка относительно бандажа (рис. 1, b) [6], или устанавливают весь станок (без ДСС) на вращающийся кронштейн (СВК) (рис. 1, с и d) [13].
Рис. 1. Системы восстановительной обработки бандажей: а - универсальный встраиваемый станок при расположении между опорами технологического барабана (УВС-М); b - станок с динамическим самоустанавливающимся суппортом (ДСС); c - общий вид переносного станка на вращающемся кронштейне (СВК); d - вид станка СВК справа: 1 - бандаж; 2 - опорный ролик; 3 - инструмент; 4 - сменные технологические наладки; 5 - ДСС; 6 - копирный ролик; 7 - подпружиненный кронштейн; 8 - шарниры; 9 - корпусы подшипников Fig. 1. Systems of shroud restorative machining: a - universal built-in machine UVS-M when located between the supports of the technological drum; b - machine-tool with a dynamic self-aligning slide (DSAS); c - general view of the portable machine-tool on a rotating supporting arm (MRSA); d - MRSA right view: 1 - shroud; 2 - support roller; 3 - tool; 4 - replaceable manufacturing setups; 5 - DSAS; 6 - guiding roller; 7 - spring-loaded supporting arm; 8 - hinges; 9 - bearing housings
Рис. 2. Результаты моделирования движения корпуса технологического барабана над опорой
базирования бандажа с профилем Cam: 1 - траектория центра бандажа после окончания обработки; 2 и 3 - траектории перед началом обработки соответственно геометрического центра и мгновенного центра скоростей бандажа Fig. 2. Modeling results of technological drum housing motion over the shroud base support with Cam profile: 1 - trajectory of the shroud center after machining; 2 and 3 - trajectories before the machining of the geometric center and instantaneous center of shroud velocities respectively
Во всех этих конструкциях взаимодействие инструмента с обрабатываемой поверхностью не имеет геометрических особенностей и его можно рассматривать посредством одной кинематической модели. Отличия связаны только с поверхностями базирования, которые изменяются как вследствие трансформации при резании поверхности бандажа, так и в результате появления при этом зазоров между поверхностями качения бандажа и ролика [14]. Величина зазора зависит от глубины и пути резания: чем они больше, тем меньше нагружение обработанной поверхности бандажа и, следовательно, дольше сохраняется то базирование, которое выполнялось перед началом обработки.
Для УВС-М базирование зависит от контакта бандажа и опорного ролика. В начале пути резания базирование бандажа происходит по исходному профилю. Поэтому на этом переходе обработка вследствие образования зазоров не изменяет движение бандажа, а оно, в свою очередь, не влияет на формообразование до тех пор, пока не изменится поверхность базирования бандажа. Это происходит в конце рабочего хода, когда базирование вслед-
ствие возрастания контактных напряжений совершается уже по обработанному участку. Поэтому можно считать, что изменение профиля в течение одного оборота бандажа будет влиять на формообразование только на следующем проходе.
В станках с ДСС обработанная поверхность всегда является базирующей. На формообразование оказывает влияние в основном форма этой поверхности в виде своеобразной обратной связи, изменяющей положение ДСС и инструмента.
Существенным отличием СВК является то, что инструмент и копирный ролик на большей части рабочего хода располагаются в разных плоскостях (рис. 1, б). Поэтому в этих положениях обработка будет подобна УВС-М. Когда же инструмент и ко-пирный ролик будут находиться в одной плоскости, то проявятся свойства обработки с ДСС. Получаемый при этом профиль будет отличаться от профилей на соседних обработанных участках. Такого результата можно избежать (при условии модернизации конструкции), если в этом положении перенести базирование кронштейна на уже обработанные поверхности. При этом также исключается негативный эффект вреза-
ния инструмента, вызывающим погрешности обработки при окончании каждого прохода, когда базирование копирного ролика под действием пружины переходит на обработанную поверхность.
Таким образом, для оценки формообразования профиля бандажа в течение
одного поворота достаточно рассмотреть два случая обработки:
- базирование по изменяемой при резании поверхности (для ДСС);
- неизменное базирование по профилю, полученному на предыдущем проходе (для УВС-М и СВК).
Определение режимов резания и закономерности формообразования профилей
бандажей
Восстановительную неуправляемую обработку бандажей будем рассматривать при следующих исходных данных:
1) размеры и профиль бандажа заданы;
2) радиус опорного ролика R = 750 мм, межосевое расстояние ролико-опор aw = 3175 мм;
3) длины хорд, связывающих точки контакта бандажа с роликами (AB, DH и BC на рис. 1), одинаковы (L = 2425 мм).
Для оценки исправления формы в расчетной модели используем отклонение от круглости EFK по ГОСТ Р 53442-2009. При этом координаты xF и yF центра т. F двух концентрических окружностей определяем относительно декартовой системы координат YOX, связанной с центром бандажа т. О.
Изменения после восстановительной обработки профилей бандажей будем анализировать на круглограммах в виде кривых:
HwÇ) = Pw(ç)-Rconst,
где pW(ç) - закономерность изменения полярного радиуса, соответствующая профилю бандажа (в полярной системе координат), получающемуся после каждого прохода с номером W; ç - полярный угол; Rconst - постоянный радиус (определяет масштаб круглограммы).
Для каждого прохода строим индикаторные диаграммы yE = f(ç) (рис. 3, d, h; 4, d), где ç - угол поворота бандажа; yE - расстояние от т. Е контакта с бандажом инструмента до оси О1Х1 (неподвижной декартовой системы координат Y101X1 c центром в т. О1 на оси опорного ролика), изме-
ренное вдоль вертикальной прямой, расположенной посередине межосевого расстояния роликоопоры. Из этой функции определяем радиальное биение бандажа на роликах:
Ô= /En
УЕП
где yEmax и yEmin - соответственно максимальное и минимальное значения индикаторной диаграммы yE = f(^).
Моделирование проводилось в следующей последовательности. Прежде всего для всех исходных профилей (рис. 3, а, e; 4, а) определяли минимум функции f1 = EFK(t, W) (рис. 5), где EFK - отклонение от круглости; t - глубина резания (в диапазоне 0,05-2 мм); W - число проходов.
Было установлено, что для каждой глубины резания ti существует только одно минимальное отклонение от круглости f1min, достигаемое при определенном числе проходов W. Эти значения использовали для построения функций (рис. 6, 7):
f1 min = fimin (ti, W), (1)
из которых для сравнения отобрали режимы при числе проходов W = 1, W = 2 и W > 2 (для глобального минимума f1min) (таблица).
Кроме того, были рассмотрены возможности исправления погрешности формы при обработке бандажей с разной глубиной резания на каждом проходе. При этом изменения в процессе обработки отклонения от круглости трактовали как функцию двух переменных f2 = EFK(t1, t2), где t1 и t2 - глубины резания соответственно на первом и втором проходе, определяли минимум этой функции (см. таблицу).
Рис. 3. Результаты моделирования механической обработки бандажей станками УВС-М и СВК: а и e - изменения профилей соответственно Cam (при W = 21, t = 0,05 мм, Rconst = 2410 мм) и Cassini (при W = 24, t = 0,05 мм, Rconst = 2400 мм); b и c - кривые профиля Cam при Rconst = 0 мм и проходах W = 20 и W = 21; 1 и 2; d и h - изменения индикаторных диаграмм при обработке профилей Cam и Cassini соответственно; f и g - кривые профиля Cassini при Rconst = 0 мм и проходах W = 23 и W = 24 соответственно 1 и 2 Fig. 3. Modeling results of shroud mechanical processing by machine-tools UVS-M and SVK: a and e - change of profiles of Cam (at W = 21, t = 0.05 mm, Rconst = 2410 mm) and Cassini (at W = 24, t = 0.05 mm, Rconst = 2400 mm) respectively; b and c - curves of the Cam profile at Rconst = 0 mm and passages W = 20 and W = 21 respectively; 1 and 2; d and h - changes in the indicator diagrams when machining Cam and Cassini profiles respectively; f and g - curves of the Cassini profile at Rconst = 0 mm
and passages W = 23 and W = 24 respectively 1 and 2
a d (pi
Рис. 4. Результаты моделирования механической обработки профиля Corner станком с ДСС: а - изменение профиля Corner (при W = 22, t = 0,05 мм, Rconst = 2407 мм); b и c - кривые профиля Corner при Rconst = 0 мм и проходах W = 21 и W = 22 соответственно 1 и 2; d - изменение
индикаторной диаграммы при обработке профиля Corner Fig. 4. Modeling results of the Corner profile machining by a machine-tool with DSAS: a - changes of the Corner profile (at W = 22, t = 0.05 mm, Rconst = 2407 mm); b and c - curves of the Corner profile at Rconst = 0 mm and passages W = 21 and W = 22 respectively 1 and 2; d - change of the indicator
diagram when machining the Corner profile
Рис. 5. Изменение отклонения от круглости f1 = EFK(t, W) при глубине резания t = 0,3 мм для разных исходных профилей бандажей и способах обработки: 1, 2 - Cam; 3, 4 - Cassini; 5, 6 - Corner; 7, 8 - Const; штриховые линии - при обработке ДСС; сплошные - при обработке УВС-М и СВК Fig. 5. Change in the deviation from roundness f1 = EFK(t, W) at the cutting depth of t = 0.3 mm for different initial shroud profiles: 1, 2 - Cam; 3,4 - Cassini; 5, 6 - Corner; 7, 8 - Const; dashed lines - at DSAS machining, solid lines - at UVS-M and SVK machining
Cam
Cassini
Corner
Рис. 6. Изменение минимального отклонения от круглости бандажей с разными профилями при моделировании неуправляемой обработки станком с ДCC в зависимости от глубины резания Fig. 6. Change in the minimum deviation from roundness of the shrouds with different profiles when modeling uncontrolled machining by a DSAS machine-tool depending on the cutting depth
Cam
Cassini
Corner
Рис. 7. Изменение минимального отклонения от круглости бандажей с разными профилями при моделировании неуправляемой обработки станком CBK или yBC-M в зависимости от глубины резания Fig. 7. Change of the minimum deviation from roundness of shrouds with different profiles when modeling uncontrolled machining by SVK or UVS-M machine-tools depending on the cutting depth
Влияние технологических баз станков на исправления погрешности формы каждого вида оценивали по изменению функций (1) для одного и того же диапазона глубины резания. При этом считали, что эффективность исправления погрешности формы бандажа каждым станком тем выше, чем больше вариация минимального отклонения от круглости на всем диапазоне глубины резания. Для оценки такого критерия при выполнении условия [f-imin (ti, W) - EFK0] < 0 использовали коэффициент эффективности:
s
H о
5 5 ^ S a-S
« .5
H
о =
X <u X о
5 e s
о
1,6 1,4 1,2 1
§ 0,8
0,6
H о
, 2
•s S а Я
<u -a
^0,4
0,2
0 0,5 1 1,5 2 2,5 Глубина резания, мм / Cutting depth, mm
0
3
k =
S
EFK
где
S =
n
£[ fmn (t )- EFKC
i=1
n
(2)
ЕГКо - исходное (перед началом обработки каждого профиля) отклонение от круглости; Ь,- глубина резания из ряда 0,1-/", мм, при / = 1 ... п, где п - число значений (п = 20).
2
Результаты моделирования восстановительной неуправляемой обработки
бандажей технологических барабанов Modeling results of the restorative uncontrolled machining of technological drum shrouds
Профиль / Profile Отклонение от круглости по ГОСТ Р 53442-2009 / Deviation from roundness according to GOST R 53442-2009 Глубина резания, мм / Cutting depth, mm Число проходов / Number of passages Координаты т. F центра концентрических окружностей, мм / Coordinates p. of F center of concentric circles, mm Минимальные радиусы концентрических окружностей, мм / Minimum radii of concentric circles, mm Радиальное биение бандажа, мм / Radial runout of the shroud, mm
EFK0 t W Xf Yf rMIN 8
1,33 - - -1,8 1,8 2422,34 1,79
0,38/0,28 0,05 18/20 -1,7 1,7 2422,03/2421,93 0,28
Cam 0,73/0,43 1/1,5 1 -1,8/ -1,7 1,7 2422,24/2422,14 0,71/0,69
0,61/0,35 0,5/0,7 2 -1,7 1,7 2422,25/2422,14 0,59/0,54
0,47 0,7; 0,3 2 -1,7 1,7 2422,21 0,5
2 - - 0 0 2423 0,9
0,25/0,3 0,02 21/24 0,1 0,1/0 2422,58/2422,62 0,34/0,4
Cassini 1,21/1,2 0,9/1,6 1 0 0,2/0 2422,38/2422,23 1,15/0,62
0,94/0,9 0,4/0,7 2 0/0,1 0,2/0 2422,45/2422,34 0,88/0,61
0,74 0,6; 0,05 2 0 0,2 2422,63 0,63
2 - - 1 0 2424 2,39
0,66/0,61 0,05 22/23 1 0,1/0 2423,14/2423,58 0,4/0,43
Corner 1,53 1,3 1 1 0 2423,61 1,16
1,31/0,95 0,7/1,6 2 1/1,1 0 2423,33/2421,57 0,9/0,88
1,16 1,2; 0,4 2 1 0,1 2422,5 1,11
Примечание. 1. В первой строке для каждого профиля указаны его исходные параметры. 2. В строках со второй по четвертую (включительно) перед наклонной чертой указаны результаты обработки для ДСС, а после нее -для станков УВС-М и СВК. 3. В последней строке указаны результаты обработки с разной глубиной резания на каждом проходе станком с ДСС / Note. 1. The first line specifies original parameters for each profile. 2. The lines from the second to the fourth (inclusive) give the machining results for DSAS machine-tools before the slash and machining results for UVS-M and SVK machine-tools after it. 3. The last line shows the machining results with different cutting depths under each passage of a DSAS machine-tool.
Кроме того, при [fimin (fr, W) -- EFKo] > 0, т. е. если обработка увеличивает погрешность формы бандажа, в выражение (2) подставляли fimin (fr, W) = EFK0.
Коэффициент эффективности, выраженный в процентах, получился примерно одинаковым для профилей Cam и Cassini (при обработке с ДСС соответственно k = 38% и k = 39%, а для станков УВС-М и СВК k = 66% и k = 52%). Восстановительная обработка профиля Corner станками УВС-М и СВК исправляет погрешность формы с вариацией k = 54%, а станками с ДСС - только с k = 26%.
Сравнивая результаты расчетов для разных исходных профилей (см. табл.), необходимо отметить, что для большинства из них лучшее исправление формы достигается при обработке с крайне малой глубиной резания (0,02-0,05 мм) при большом числе проходов (18-22). Это объясняется тем, что, судя по индикаторным диаграммам уЕ = ((щ) (рис. 3, б, Л и 4, б), в процессе исправления формы сначала последовательно удаляется только материал той поверхности, которая вызывает биения. При этом есть возможность прекратить обработку, как только функция уЕ = ((щ)
трансформируется в прямую yE = Л, а профиль, соответственно, - в окружность. Эта окружность является (при рассмотренных исходных данных) наилучшим решением задачи минимизации отклонения от крутости профиля бандажа. На круглограммах она представляет собой вписанную в исходный профиль окружность (кривая 1 на рис. 3 и 4) с несколькими точками его касания: две - для Cassini (см. рис. 3, f) и Corner (см. рис. 4, b), и три - для Cam (см. рис. 3, b). Такую окружность будем называть вписанной рациональной относительно исправления погрешности формы. Разница между переменным полярным радиусом каждого исходного профиля и радиусом вписанной рациональной окружности определяет величину припуска при их неуправляемой обработке (см. рис. 3, a, e; 4, a).
На индикаторной диаграмме yE = f(^i) припуск на обработку каждого профиля до вписанной рациональной окружности определяется величиной z = Л - yEmin. Поэтому при выборе режимов резания для исправления погрешности формы бандажей должно выполняться условие
W
Т*. * * , (3)
i=i
где tj - глубина резания на проходе с номером i; W- число проходов за операцию.
После достижения вписанной рациональной окружности при увеличении числа проходов с этой же глубиной резания EFK увеличивается (см. рис. 5). Например, для профиля Cassini (при использовании ДСС), чтобы получить профиль с EFK21 = 0,25 мм, требуется выполнить 21 проход с глубиной резания 0,02 мм. При продолжении обработки получаем: EFK22 = 0,39; EFK23 = 0,47 мм и т.д. То же для профиля Cam: EFK18 = 0,38; EFK19 = 0,5; EFK20 = 0,6 мм и т.д.
Следует отметить, что геометрический центр т. О бандажа с профилем в виде вписанной рациональной окружности (при EFK18) будет перемещаться по окружности (кривая 1 на рис. 2) с радиусом 2,54 мм во-
круг неподвижного центра этого нового профиля. Так как через т. О проходит продольная ось симметрии корпуса технологического барабана, то над опорой с этим бандажом корпус будет совершать такое же дополнительное движение. Таким образом, исправление погрешности формы бандажа только уменьшило нежелательные перемещения корпуса технологического барабана. Для их полного исключения при исходном профиле Cam требуется организация специальной управляемой обработки со снятием большого припуска. При этом условие исправления формы должно быть согласовано с дополнительным требованием приближения нового профиля к вписанной в исходный профиль окружности с центром в т. О.
Для профилей Cassini и Corner при обработке до вписанной рациональной окружности центр вращения корпуса технологического барабана будет неподвижен, но опустится ниже прежнего положения, вызвав искривление оси корпуса технологического барабана. Во всех рассмотренных случаях после окончания обработки необходима выверка оси вращения технологического барабана.
Указанные выше параметры обработки (t = 0,02 мм, W = 22 и t = 0) являются неприемлемыми для практики (низкая производительность). Поэтому для каждого профиля с целью определения возможности приближения к вписанной рациональной окружности за меньшее число проходов выполнен анализ функций f1 = EFK(t, W) и f2 = EFK(t1, t2) (рис. 5-8).
Для профиля Cam при использовании ДСС при одном проходе исправление формы (возможно при условии f1 < 1,33 мм) выполняется только до глубины резания t = 1,5 мм, а для профиля Cassini (при условии f1 < 2 мм) - до t = 1,8 мм. Результаты обработки этих профилей демонстрируют одинаковую тенденцию изменения EFK (меньшие значения для профиля Cam) и при увеличении глубины резания (см. рис. 6). Для профиля Cassini требуемое число проходов несколько меньше.
i E
<D
d ®
5 is
x Я
о
а- 8
г- Я
с а
г
о <я
ш ¿= о.
ш о
а. ш с и
" о
ш ® а "о
се га
еГ О
1.5 1.4 1.3 1.2 1.1 1
0.9 0.8 0.7 0.6 0.5
'-4_ ' Ъ'...... ,.5+ 16
+1.4
.........._ ——j ^^
£■* ^^^x NM ^v
1 \ \fl.7 \
1 <f
0.6
О*
—,1.1, ..............._
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
i Е
ш
СГ ®
5 га
х Я
о
а- 8
г- Я
с а
г
о <я
Ш
о.
ш о
а. ш с и
" о
ш ® а "о
се га
£ = еГ О
Глубина резания при втором проходе, мм / Cutting depth under the second passage, mm
Глубина резания при втором проходе, мм / Cutting depth under the second passage, mm
b
Глубина резания при втором проходе, мм / Cutting depth under the second passage, mm c
Рис. 8. Изменение отклонения от круглости f2 = EFK(t1, t2) при моделировании двухпроходной обработки с разной глубиной резания на каждом проходе для бандажа с профилем: a - Cam; b - Cassini; c - Corner Fig. 8. Change in the deviation from roundness f2 = EFK(t1, 2 when modeling two-pass machining with different cutting depths for each passage for a shroud with the profile: a - Cam; b - Cassini; c - Corner
Локальные минимумы функции /2 = ЕРК(и, Ц) для этих двух профилей (рис. 8, а, Ь) также находятся примерно в одной области малых значений глубин резания и и ¿2. Причем для этой области выполняется условие (3), что обеспечивает наилучшее приближение к вписанной рациональной окружности.
При этом t1 и t2 для профиля Cam при обработке с ДСС можно выбирать (при исходных данных примера) из уравнения прямой ti = 0,99—0,88-t2, которая проходит через локальные минимумы функции f2 = EFK(t1, t2). Аналогично для профиля Cassini при выборе глубины резания на каждом проходе следует при условии
a
t2 < 0,4 мм использовать уравнение t1 = 0,725 - 0,5 t2. Необходимо отметить,
постоянной и k = 23% при переменной глубине резания на каждом проходе. Такая
что в этом случае получается меньшее отклонение от круглости, чем при двухпро-ходной обработке с постоянной глубиной резания (см. табл.).
При применении других сочетаний t1 и t2 (подставляя их в исходные данные расчетов при f2 = const) в совокупности получаем, что вариация минимального отклонения от круглости для Cam составит только k = 33%, а для Cassini k = 30%. Т. е. эффективное использование режимов обработки с переменной глубиной резания при каждом проходе крайне ограничено.
Близкие результаты для профилей Cam и Cassini связаны, прежде всего, с одинаковым видом их индикаторных диаграмм yE = f(w) (см. рис. 3, d, h). Несколько большие значения f1min для профиля Cassini (см. рис. 6) можно объяснить тем, что его радиальное биение меньше единицы (ö< 1 мм). Поэтому при t > 1 мм условие (3) не выполняется. Резание осуществляется непрерывно (не только в тех точках профиля, удаление которых необходимо для исправления погрешности), что увеличивает циклически изменяемое влияние обратных связей на формообразование.
Обработка профиля Corner имеет свои существенные отличия:
- во-первых, отсутствуют ограничения по глубине резания (см. рис. 6), т.е. всегда выполняется условие исправления формы f1 < 2 мм. Однако в количественном отношении оно незначительно (см. табл.). Например, отклонение от круглости при одном проходе с ДСС уменьшается только на 0,47 мм (23,5%);
- во-вторых, при двух проходах с ДСС с разной глубиной резания минимум EFK не зависит от глубины резания при втором проходе (см. рис. 8, c). При 1,1 < t1 < 1,2 мм можно выбирать t2 из диапазона 0,05 < t2 < 0,45 мм. Этот вариант по отклонению от круглости предпочтительнее обработки с W = 1 и W = 2 (см. табл.).
Вариация минимального отклонения от круглости при обработке станком с ДСС профиля Corner не превышает k = 26% при
неравномерность связана с резкими изменениями формы профиля Corner. Они определяют интенсивность влияния обратных связей, которая проявляется, например, в том, что при моделировании обработки с постоянной обратной связью (при неизменяемой поверхности базирования) получаемая при этом форма сечения не эквидистантна к вписанной рациональной окружности (в отличие от профилей Cam и Cassini, для которых это условие выполняется). Приближение к вписанной рациональной окружности в этом случае возможно только при изменении профиля базовой поверхности бандажа. Тогда обратная связь, вследствие постепенного сглаживания лысок, будет переменной.
Следует отметить, что обратная связь является основной причиной, не позволяющей при обработке с ДСС всегда получать такие же результаты, как и при применении станков УВС-М или СВК (см. табл.), которые выгодно отличаются тем, что результаты их обработки действительны для существенного диапазона глубины резания (0,02 < t < 3 мм). При глубине резания t > 1 мм они обеспечивают меньшее отклонение от круглости. Отклонение от круглости уменьшается для всех случаев (см. рис. 7). Поэтому обработка с переменной глубиной резания для станков УВС-М или СВК не рассматривалась.
Для профилей Cam и Corner коэффициент эффективности исправления погрешности формы бандажа станками УВС-М или СВК на 28% больше, чем при применении станков ДСС. При обработке профиля Cassini это преимущество составляет только 13%.
После исправления погрешности (достижения вписанной рациональной окружности) формообразование для всех рассмотренных профилей и способов обработки имеет одинаковую тенденцию изменения EFK (см. рис. 5). Это объясняется тем, что во всех случаях обработка подобна точению, например, номинального профиля Const (для профилей Cam, Cassini и
Corner функции f1 = EFK(W) на рис. 5 после достижения экстремума при увеличении W изменяются по зависимости подобной соответствующей закономерности для профиля Const).
Возможность исправления погрешности формы станками с ДСС или СВК существенно зависит от технологической базы, связанной с расстоянием между точками контакта с бандажом (хорды DH и BC соответственно на рис. 1, b, с). Расстояние
влияет на масштаб измеряемого индикатором радиального биения 5: чем оно меньше, тем труднее в рамках условия (3) выбрать такую глубину резания на каждом проходе, которая необходима для неуправляемого приближения к вписанной рациональной окружности при исправлении погрешности формы поперечного сечения бандажа.
Выводы
Из исследования процесса восстановительной обработки бандажей следует:
1. Приставные станки обеспечивают исправление всех рассмотренных погрешностей формы бандажей. Максимальное уменьшение отклонения от круглости (при двух проходах) составляет 74%.
2. При прочих равных условиях меньшее отклонение от круглости получается при применении таких станков, у которых в процессе обработки базирование осуществляется по профилю, полученному на предыдущем проходе. Для них коэффициент эффективности исправления погрешности формы бандажей всегда больше 50%.
3. Особенности формообразования профилей бандажей зависят от вида погрешности формы. Максимальное уменьшение отклонения от круглости достигается для таких профилей, у которых индикаторная диаграмма представляет собой периодическую непрерывно дифференцируемую функцию, размах которой близок к удвоен-
ной сумме глубин резания за всю операцию.
4. Процесс неуправляемой восстановительной обработки бандажей на опорных роликах заключается в приближении к такой вписанной в исходный профиль окружности (вписанная рациональная окружность), которая имеет с ним максимальное число равномерно распределенных точек касания. После достижения вписанной рациональной окружности с увеличением числа проходов отклонение от круглости не уменьшается.
5. Неуправляемая восстановительная обработка бандажей будет эффективной только для исправления таких погрешностей формы, после обработки которых сохраняется совпадение центров бандажа и корпуса технологического барабана. В противном случае необходимо построение специального технологического процесса с системой управления положением инструмента.
Библиографический список
1. ЗАО ММК «Мосинтраст» [Электронный ресурс]. URL: http://mosintrast.ru/content/view/27/21/ (05.05.2017).
2. ООО «МосХимЦемСервис»: технологическое обслуживание и восстановление промышленного оборудования [Электронный ресурс]. URL: http://moshimtsemservis.ru/index.php?option=com_cont ent&view=article&id=1:o-kmpanii&catid=2 (02.05.2017).
3. Phillips Kiln Services [Электронный ресурс]. URL: http://www.pkse.co.uk/services/resurfacing.php (05.05.2017).
4. Ozek Makina [Электронный ресурс]. URL:
http://www.rotarykiln.net/ (05.05.2017).
5. Погонин А.А., Шрубченко И.В. Концепция проектирования встраиваемых станочных модулей для мобильной технологии восстановления // Горные машины и автоматика. 2004. № 7. С. 37-39.
6. Шрубченко И.В. Специальный адаптивный станок для обработки бандажей вращающихся печей // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2003. № 7. С. 80-81.
7. Бондаренко Ю.А., Федоренко М.А., Погонин А.А. Определение возможности обработки крупногаба-
ритных деталей на приставных станках // СТИН. 2005. № 7. С. 37-38.
8. Захаров О.В., Горшков В.В. Обеспечение точности при бесцентровом шлифовании с поперечной подачей // Автоматизация и современные технологии. 2006. № 10. С. 11-15.
9. Пелипенко Н.А., Санин С.Н. Математическое моделирование бандажа цементной печи для оценки погрешности базирования // Ремонт, восстановление, модернизация. 2013. № 9. С. 40-44.
10. Гончаров М.С., Хуртасенко А.В., Шрубченко И.В. Кинематическая модель механической обработки бандажа технологического барабана // Вестник ИрГТУ. 2017. Т. 21. № 2. С. 21-31. РС!: 10.21285/1814-3520-2017-2-21-31
11. Сертификат о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2017610999. Синтез формы бандажа технологического барабана с идентификацией отклонения от круглости по ГОСТ Р 534422009 / И.В. Шрубченко, А.В. Хуртасенко, М.С. Гончаров; БГТУ им. В.Г. Шухова, заявка 2016662717, дата
19.01.2017.
12. Шрубченко И.В., Хуртасенко А.В., Гончаров М.С. Контактные проявления погрешности формы и расположения в технологических барабанах // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2016. № 2. С. 81-85.
13. Пат. № 162422, Российская Федерация, МПК7 В 23 В 5/00. Станок для обработки бандажей / И.В. Шрубченко, А.В. Хуртасенко, Л.В. Мурыгина, М.С. Гончаров; заявитель и патентообладатель: Белгородский государственный технологический университет им. В.Г. Шухова. № 2015130983/02; заявл. 24.07.2015; опубл. 10.06.2016, Бюл. 16. 2 с.
14. Шрубченко И.В., Хуртасенко А.В., Гончаров М.С. Контактные проявления процесса резания при восстановительной обработке бандажей технологических барабанов // Вестник Белгородского государственного технологического университета им. В.Г. Шухова. 2017. № 4. С. 95-101. РС!: 10.12737/а|Ис!е 58е613378с7037.64936691
References
1. ZAO MMK «Mosintrast» [International Moscow Corporation "Mosintrast" CJSC]. Available at: http://mosintrast.ru/content/view/27/21/ (accessed 5 May 2017).
2. OOO «MosKhimTsemServis»: tekhnologicheskoe obsluzhivanie i vosstanovlenie promyshlennogo obo-rudovaniya ["MosHimTsemServis" technological maintenance and restoration of industrial equipment]. Available at: http://moshimtsemservis.ru/index.php?option=com_cont ent&view=article&id=1:o-kmpanii&catid=2 (accessed 5 May 2017).
3. Phillips Kiln Services. Available at: http://www.pkse.co.uk/services/resurfacing.php (accessed 5 May 2017).
4. Ozek Makina. Available at: http://www.rotarykiln.net/ (accessed 5 May 2017).
5. Pogonin A.A., Shrubchenko I.V. Kontseptsiya proek-tirovaniya vstraivaemykh stanochnykh modulei dlya mobil'noi tekhnologii vosstanovleniya [Design concept of add-in machine modules for mobile recovery technology]. Gornye mashiny i avtomatika [Mining machines and automatics]. 2004, no. 7, pp. 37-39. (In Russian)
6. Shrubchenko I.V. Spetsial'nyi adaptivnyi stanok dlya obrabotki bandazhei vrashchayushchikhsya pechei [Special adaptive machine-tool for rotary kiln shroud machining]. Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta im. V.G. Shukhova [Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov]. 2003, no. 7, pp. 80-81. (In Russian)
7. Bondarenko Yu.A., Fedorenko M.A., Pogonin A.A. Opredelenie vozmozhnosti obrabotki krupnogabaritnykh detalei na pristavnykh stankakh [Determination of possibility to process large-sized parts on attachable machine-tools]. STanki INstrument (STIN) [Machine-tools and Instruments]. 2005, no. 7, pp. 37-38. (In Russian)
8. Zakharov O.V., Gorshkov V.V. Obespechenie
tochnosti pri bestsentrovom shlifovanii s poperechnoi podachei [Accuracy provision under centerless grinding with a cross-feed]. Avtomatizatsiya i sovremennye tekhnologii [Automation and modern technologies]. 2006, no. 10, pp. 11-15. (In Russian)
9. Pelipenko N.A., Sanin S.N. Matematicheskoe mod-elirovanie bandazha tsementnoi pechi dlya otsenki pogreshnosti bazirovaniya Mathematical modeling of cement kiln shroud to estimate locating error]. Remont, vosstanovlenie, modernizatsiya [Repair, reconditioning, modernization]. 2013, no. 9, pp. 40-44. (In Russian)
10. Goncharov M.S., Khurtasenko A.V., Shrubchenko I.V. Kinematicheskaya model' mekha-nicheskoi obrabotki bandazha tekhnologicheskogo barabana [Kinematic model of technological drum shroud machining]. Vestnik IrGTU [Proceedings of Irkutsk State Technical University]. 2017, vol. 21, no. 2, pp. 21-31. (In Russian). DOI: 10.21285/1814-3520-2017-2-21-31
11. Shrubchenko I.V., Khurtasenko A.V., Goncharov M.S. Sintez formy bandazha tekhnologicheskogo bara-bana s identifikatsiei otkloneniya ot kruglosti po GOST R 53442-2009 [Synthesis of the shape of the technological drum shroud with the identification of deviation from roundness according to GOST R 53442-2009]. Sertif-ikat o gosudarstvennoi registratsii programmy dlya EVM № 2017610999 [Certificate of state registration of the computer program No. 2017610999], 2017.
12. Shrubchenko I.V., Khurtasenko A.V., Goncharov M.S. Kontaktnye proyavleniya pogreshnosti formy i raspolozheniya v tekhnologicheskikh barabanakh [Contact manifestations of shape and position error in technological drums]. Vestnik Belgorodskogo gosudar-stvennogo tekhnologicheskogo universiteta im. V.G. Shukhova [Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov]. 2016, no. 2, pp. 81-85. (In Russian)
13. Shrubchenko I.V., Khurtasenko A.V., Murygina L.V., Goncharov M.S. Stanok dlya obrabotki bandazhei [Ma-
chine-tool for shroud machining]. Patent RF, no. 162422, 2016.
14. Shrubchenko I.V., Khurtasenko A.V., Goncharov M.S. Kontaktnye proyavleniya protsessa rezaniya pri vosstanovitel'noi obrabotke bandazhei tekhnolog-icheskikh barabanov [Contact manifestations of cutting
Критерии авторства
Гончаров М.С., Хуртасенко А.В., Шрубченко И.В. провели исследование процесса восстановительной обработки бандажей переносными станками, обобщили результаты и написали рукопись. Гончаров М.С. несет ответственность за плагиат.
Конфликт интересов
Авторы заявляют об отсутствии конфликта интересов.
Статья поступила 12.05.2017 г.
process at restorative treatment of technological drum shrouds]. Vestnik Belgorodskogo gosudarstvennogo tekhnologicheskogo universiteta im. V.G. Shukhova [Bulletin of BSTU named after V.G. Shukhov]. 2017, no 4, pp. 95-101. (In Russian) DOI: 10.12737/article_58e613378c7037.64936691
Authorship criteria
Goncharov M.S., Khurtasenko A.V., Shrubchenko I.V. have studied shroud restorative machining by portable machine-tools, summarized the results and wrote the manuscript. Goncharov M.S. bears the responsibility for plagiarism.
Conflict of interests
The authors declare that there is no conflict of interests regarding the publication of this article.
The article was received 12 May 2017
