CC BY
27
УДК
В. А. Логвин, канд. техн. наук, А. А. Жолобов, канд. техн. наук, проф.,
П. Ф. Котиков, канд. техн. наук
ПРЕИМУЩЕСТВА ЛЕЗВИЙНОЙ ОБРАБОТКИ ДЛЯ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ВАЛОВ СУПЕРКАЛАНДРОВ
В статье изложен анализ требований предъявляемых к НБВС и существующих технологий их об работки Предложена зависимость для определения длины участка режущей кромки необходимого для обработки протяженной заготовки с неизменными параметрами режущего клина при обработке чашеч ными резцами с непрерывно обновляющейся кромкой Представлены графические зависимости шерохо ватости обработанной поверхности от подачи и скорости обновления режущей кромки Сформулированы основные преимущества лезвийной обработки с обновлением режущей кромки для формообразования валов суперкаландров
В целлюлозно бумажной промыш ленности при производстве бумаги при меняются волокна растительного проис хождения выделяемые из древесины хвойных и лиственных пород из стеблей и луба однолетних растений семенных коробочек и листьев некоторых растений Основным компонентом волокон являет ся природный полимер целлюлоза обла дающий весьма ценными свойствами для производства бумаги высоким молеку лярным весом цепевидным строением
молекул фибрилярной структурой высо кой прочностью и стойкостью к воздей ствию химикатов и температуры высо ким сродством с водой и способностью набухать в ней Благодаря этим свойствам из нее получают однородную по структу ре и достаточно прочную бумагу без применения связующих рис Другим важным достоинством целлюлозы явля ется неограниченность сырьевых источ ников для ее производства и их возобнов ление
Рис Морфологическое строение волокон целлюлозы
Под отделкой бумаги подразуме вают операции завершающие процесс ее производства К ним относят каланд рирование бумаги на суперкаландре осуществляемое с целью уплотнения снижения толщины и повышения объ емного веса выравнивания по толщине и сглаживания уменьшения шерохова тости придания поверхности гладко сти и лоска повышения прозрачности и усилия на разрыв Каландрированию
отделке на суперкаландре подвергают массовые виды бумаги писчую типо графскую книжно журнальную офсет ную мелованную бумагу для глубокой печати иллюстрационную и др а так же некоторые немассовые техниче скую конденсаторную пергамин чер тежную прозрачную основу диаграмм ной бумаги чертежную сигаретную папиросную некоторые виды картона Увлажненная бумага в суперка
ландре подвергается действию давления и трения между металлическими и уп ругими набивными бумажными валами суперкаландров НБВС располагае мыми как правило вертикально пооче редно друг над другом На эффект ка ландрирования большое влияние оказы вает твердость бумажных валов кото рая зависит от их материала и режима набивки Трение бумаги о поверхность валов в процессе каландрирования про исходит главным образом из за ради альной деформации бумажных валов в которые вдавливаются более твердые металлические валы Благодаря этому окружные скорости бумажных и метал лических валов разные и бумага испы тывает значительное трение в зоне прессования что приводит к росту тем пературы до С
Ввиду особой роли бумажных валов на суперкаландре к ним предъявляются повышенные требования по точности геометрической формы в продольном се чении которая не должна превышать мкм величине шероховатости по сле прикатки на суперкаландре без бума ги в пределах мкм по и оста
точной ворсистости рабочей поверхно сти в пределах допуска на шерохова тость а также твердости поверхностно го слоя
Бумажные валы набираются на гидравлических прессах по определен ной технологии набивки и обрабатыва ются на токарных и шлифовальных станках Величина усилия с которым набираются бумажные валы выбирает ся в зависимости от назначения вала необходимой плотности и твердости Например на изготовление одного вала с шириной формата мм затрачива ется сут непрерывной работы
После механической обработки валы проходят операцию обкатки на суперка ландре без бумаги по определенному режиму
Каландровая набивочная шерсте содержащая бумага изготавливается из целлюлозных и шерстяных волокон
При этом в исходном полотне бумаги имеет место преимущественная ориен тация волокон в продольном направле нии В процессе набивки создают изо тропию свойств материала в направле нии перпендикулярном оси вала путем равномерного поворота исходных заго товок бумаги друг относительно друга на угол В результате получает
ся материал с трансверсально изотропными свойствами Вследствие релаксации напряжений упругие свой ства этого материала постоянно изме няются Сами волокна обладая доста точно высокой твердостью являются хорошим абразивом а обрабатываемый материал имеет высокую упругость и находясь в сдавленном состоянии зна чительную потенциальную энергию к высвобождению
Обработка бумажных валов на предприятиях отрасли производится в зависимости от технологических воз можностей От этого зависит время об катки обработанного вала на холостом ходу на суперкаландре Бумажные валы особенно вновь изготовленные после первой механической обработки еще не обладают достаточной твердостью по верхности поэтому очень чувствитель ны к механическим воздействиям вследствие попадания между валами разного рода пыли комков бумаги и других посторонних включений По этому обкатка должна производиться по чистым отполированным поверхностям металлических валов по всей длине бочки вала при равномерном линейном давлении между валами и равномерной их температуре не превышающей С Нормальная твердость бу мажных валов для каландрирования писчей и бумаги для печати ед
по шкале С склероскопа Шора импорт ных ед
Назначение механической обра ботки восстановление точности фор мы валов в продольном направлении влияющей на равномерность толщины выпускаемой бумаги удаление дефек
тов вмятины прижоги и наклепанного рогового слоя с повышенной твердо стью приводящего к образованию тре щин на рабочей поверхности вала Ал мазная обработка бумажных валов бла годаря высокой стойкости режущей части резца обеспечивает необходимую точность и шероховатость обработан ной поверхности по мкм при
подаче не более мм об
Шлифование валов изготовлен ных из шерстяной асбестолатексной хлопкошерстяной бумаги проводят без применения охлаждающих жидкостей Применение воды и различных эмуль сий недопустимо так как приводит к преждевременному выходу НБВС из строя ухудшению эксплуатационных свойств повышению шероховатости обработанной поверхности вала При увлажнении набивки вала из хлопко шерстяной или асбестолатексной бума ги межволоконные связи ослабевают в результате чего абразивные зерна шли фовального круга не подрезают а вы дергивают волокна бумаги и поверх ность вала приобретает ворсистый вид Кроме того в период шлифования влага проникает на всю глубину вплоть до поверхности сердечника что создает дополнительные трудности при экс плуатации такого вала В результате не равномерного набухания набивки осо бенно вблизи торцовых шайб в ней воз никает избыточное давление вследст
вие чего происходит местный перегрев поверхности вала что приводит к мест ным прижогам и прогарам набивки
На финских бумажных предпри ятиях в частности Темпелла Вал мет Вяртсиля применяют трехопе рационную технологию обработки Черновая операция обработка произво дится резцами оснащенными твердо сплавной пластинкой на режимах ско рость резания м с глубина резания мм подача мм об время
рабочего хода составляет мин при ширине формата мм Чистовая
операция обработка производится рез цом оснащенным синтетическим алма зом с радиусом при вершине мм на режимах скорость резания м с глу бина резания мм подача
мм об время рабочего хода со ставляет мин Финишная операция шлифовка вала производится при помо щи радиусного деревянного башмака обернутого сукном и шлифовальной бу магой № или рис Шлифовка про изводится в направлении противополож ном алмазному точению в три или четыре рабочих хода при этом направление вращения каждый раз изменяется на про тивоположное скорость резания м с Назначение шлифовки удаление воло кон уменьшение остаточной ворсистости и выравнивание следа оставленного ал мазным резцом после точения
Рис Фотография приспособления для шлифования НБВС с помощью радиусного башмака
Для обработки бумажных валов предпринимались попытки применения ротационных самовращающихся резцов разработанных сотрудником кафедры Технология машиностроения Кали нинградского института рыбной про мышленности ныне Государственный технический университет Л А Гиком и академиком АН БССР Е Г Коновало вым При значительных преимуществах данного инструмента позволяющего использовать твердосплавные режущие элементы вместо алмазных резцов он обладает рядом существенных недос татков Настройка его требует установки под двумя углами в горизонтальной и вертикальной плоскостях и по высоте Вследствие большого соотношения диа метров режущего элемента и обрабаты ваемой заготовки частота вращения ре жущего элемента превышает мин что в свою очередь снижает долговеч ность шпиндельного узла ротационного резца При этом точность изготовления деталей и сборки ротационного резца должна обеспечивать торцовое биение режущего элемента в процессе обработ ки не более мм Вследствие пло
хой проводимости тепла набивочным материалом большая часть тепловой энергии выделяемой в процессе реза ния устремляется в резец тем самым ухудшая условия работы шпиндельного узла резца
Сочетание снижения относитель ного скольжения в контакте инструмен та с заготовкой и периодичности уча стия в процессе резания отдельного участка режущего лезвия без прерыва ния этого процесса при ротационном резании повышает режущие способно сти инструмента и производительность лезвийной обработки Отличительной особенностью обработки резанием са мовращающимися и принудительно вращающимися чашечными резцами является многократность и периодич ность участия в работе каждой точки режущей кромки за рабочий ход что приводит к нарушению размерной на
стройки инструмента вследствие износа и радиального и торцевого биения ре жущего элемента
Применение раздельного осущест вления принципов ротационного реза ния также гарантирует повышение эф фективности лезвийной обработки Ста бильность параметров режущего клина в процессе резания повышает вероят ность получения требуемой точности и качества при обработке длинномерных заготовок особенно при чистовой обра ботке бумажных валов отличающихся высокой абразивной способностью об рабатываемого материала Использова ние резцов с принудительным обновле нием активного участка режущей кром ки у которых время одного оборота ре жущего элемента больше времени рабо чего хода инструмента повышает точ ность и уменьшает шероховатость ра бочих поверхностей бумажных валов благодаря непрерывному вводу в зону резания не участвующего ранее участка режущей кромки Влияние скорости об новления режущей кромки при обра ботке бумажных валов определено при исследовании процессов протекающих при переходе от невращающихся за торможенных к самовращающимся чашечным резцам
Установлено что по мере форми рования площадок износа на рабочих поверхностях режущего лезвия изменя ются все силовые температурные а также стойкостные характеристики процесса обработки и эксплуатацион ные свойства деталей Поддержание первоначально заданных с незначитель ными изменениями геометрических па раметров рабочих поверхностей режу щих элементов в процессе обработки обеспечивает обновление режущей кромки Обновление режущей кромки может быть прерывистым и непрерыв ным и в свою очередь полным или час тичным Прерывистое обновление мо жет быть полным и частичным а непре рывное только частичным Полное об новление режущей кромки происходит
периодически при этом участок режу щей кромки находящийся во взаимо действии с обрабатываемой заготовкой полностью обновляется заменяется на участок не участвующий до этого в ра боте При частичном обновлении пре рывистом или непрерывном обновление режущей кромки происходит в основ ном на участке в области вершины ре жущего элемента отвечающего за фор мирование окончательной точности и качества рабочей поверхности детали Прерывистое частичное обновление це лесообразнее осуществлять не во время обработки т к перепад размеров на участке на котором осуществится об новление может выйти за пределы поля допуска на обрабатываемый размер Непрерывное частичное обновление осуществляется равномерно или по оп ределенному закону определяющему скорость формирования износа на рабо чих поверхностях режущего элемента При этом следует отметить что преры вистое частичное обновление предпола гает более простую конструкцию меха низмов инструмента и применяется при обработке коротких или протяженных заготовок с большим полем допуска на обрабатываемый размер и невысокими требованиями по шероховатости обра ботанной поверхности Непрерывное частичное обновление применяется как при обработке коротких так и протя женных заготовок с высокими требова ниями по точности и качеству обрабо танной поверхности например НБВС и предполагает наличие в конструкции инструмента отдельного привода При обработке протяженных заготовок дли на режущей кромки I необходимой для обработки всего участка должна быть больше не менее чем на величину пери метра контакта режущего элемента с заготовкой при условии что скорость формирования износа на рабочих по верхностях режущего элемента ско рость изнашивания Уиз м с равна ско рости непрерывного обновления режу щей кромки Ур м с и определяется за
висимостью
£п
где £ подача на один оборот заготов ки мм п частота вращения заготовки мин Ь длина участка обработки м
Форма режущей кромки может быть любой и значение это имеет лишь при выборе конструкции привода обес печивающего обновление Наиболее оп тимальной формой режущей кромки при конструировании привода обновле ния является окружность
Известно что процесс ротацион ного резания характеризуется большими скоростями перемещения режущей кромки и основной износ режущих эле ментов имеющих режущую кромку в виде окружности термоусталостный В результате мгновенного изменения температуры в каждой точке режущей кромки при прохождении выхода и входа зоны обработки достигающего С
происходит ее разрушение под действи ем повторяющихся температурных на пряжений
Исключить или значительно уменьшить перепад температур на вы ходе и входе в зону обработки можно за счет установления оптимальной скоро сти перемещения режущей кромки обеспечивающей равномерный подог рев при подходе к зоне обработки пре дотвращая термоусталостное разруше ние В этом случае скорость Ур переме щения режущей кромки к зоне обработ ки должна быть меньше или равна ско рости распространения тепла от зоны резания вследствие теплопроводности Скорость перемещения режущей кром ки V может назначаться из технологи ческих требований или режущих спо собностей режущего элемента инстру мента
Использование для обработки бу мажных валов ранее разработанной од ноповоротной прямой второй геометри ческой схемы ротационного резания по
зволило значительно упростить процесс настройки и установки резца относи тельно обрабатываемой заготовки Зна чительная величина угла контакта ре жущего элемента с заготовкой расширя ет возможности по повышению произ водительности процесса обработки за счет увеличения подачи до раз при одновременном снижении шероховато сти обработанной поверхности до
На кафедре Металлорежущие станки и инструменты Белорусско Российского университета успешно проводятся научные исследования по эффективному использованию ресурсов инструментальных материалов за счет непрерывного обновления режущих кромок во время обработки и созданию на рабочих поверхностях нанострукту рированных а также имплантирован ных структур в приповерхностных слоя рабочих поверхностей режущих инст рументов из различных материалов в тлеющем разряде что позволяет повы шать производственный ресурс инстру
ментальных материалов до раз
При исследовании влияния подачи на формирование шероховатости рабо чих поверхностей при обработке НБВС чашечными инструментами установлено что подача имеет превалирующее значе ние среди технологических факторов В результате анализа графических зависи мостей рис установлено что при об работке с подачами менее мм об уменьшение шероховатости обработан ной поверхности при увеличении пода чи происходит благодаря снижению температуры в зоне резания вследствие увеличения размера срезаемого слоя и соответственно большему отводу тепла со стружкой При этом обработка само вращающимся резцом линия обеспе чивает меньший разброс величины по и цвет обработанной поверхности изменяется с темно коричневого обуг ленного до темно синего темно серого т е цвет набивки сохраняет ес тественную окраску
Рис Влияние подачи на шероховатость обработанной поверхности
фу
м с
мм
мм
а
У:
мм
При дальнейшем росте подачи происходит монотонное увеличение шероховатости обработанной поверхно сти как в условиях обработки свобод новращающимся так и заторможенным линия инструментами Однако обра ботка заторможенным резцом позволяет получать шероховатость поверхности на меньше чем свободновращаю
щимся А в диапазоне подач от до мм об обработка с заторможенным режущим элементом позволяет получать снижение шероховатости до
Исследования влияния скорости обновления режущей кромки на шеро ховатость обработанной поверхности показали что с уменьшением скорости увеличивается время прохождения каж
дой точки режущей кромки дуги контак затуплению режущего клина изменению
та режущего элемента с обрабатываемой его геометрии и как следствие увели
заготовкой что способствует большему чению шероховатости рис
А
0,7
м с
------^
Рис Влияние скорости обновления режущей кромки на шероховатость обработанной поверхно
сти м с мм об мм мм фу аз уз ч мм
При увеличении скорости обнов ления режущего элемента шерохова тость поверхности монотонно уменьша ется Однако необходимо учитывать что время полного оборота режущего элемента должно быть больше чем время рабочего хода резца вдоль заго товки чтобы производить обработку НБВС на всем протяжении рабочей по верхности вала с постоянной геометри ей режущего клина что в свою очередь позволит обеспечить шероховатость об работанной поверхности с наименьши ми отклонениями
В условиях ООО ИлимСеверРМП проводили исследования по обработке НБВС алмазными резцами и чашечными инструментами оснащенными круглым режущим элементом с принудительным обновлением режущей кромки Обработ ка вала производилась в собственных опорах на токарно винторезном станке типа польской
фирмы Пореба НБВС с
диаметром мм и рабочей длиной мм измерение шероховатости осуществлялось профилометром мод Результаты исследований пред ставлены на рис
мм об
Рис Влияние подачи на шероховатость обработанной поверхности при обработке алмазным и чашечным инструментами м с мм
Установлено что существенного влияния на изменения шероховатости обработанной поверхности ни глубина ни скорость резания не оказывают Гра фические зависимости наглядно демон стрируют превосходство токарной об работки чашечными инструментами с принудительным обновлением режущей кромки по сравнению с алмазным точе нием Шероховатость рабочей поверх ности бумажного вала линия на всем протяжении рабочего хода не превыси ла мкм по
Анализируя и практический
опыт обработки заготовок имеющих в своей структуре волокна различных ма териалов с заполнением межволоконно го пространства скрепляющими напол нителями необходимо отметить так на зываемую проблему остаточной вор систости Она заключается в том что в результате механической обработки на рабочих поверхностях деталей вышена званной группы к которой относятся и бумажные валы концы волокон высту пающие из основного материала на вы соту как правило в пределах шерохо ватости поверхности в результате дей ствия давления и температуры расщеп ляются на более мелкие волокна Вслед ствие чего поверхностный слой обрабо танной заготовки приобретает структу ру ковровой дорожки имеющей раз личную гладкость по и против движе ния режущего клина Этот недостаток для НБВС устраняется при обкатке бу мажных валов на холостом ходу непо средственно на суперкаландре без бума ги Обкатка набивных бумажных валов на холостом ходу на суперкаландре по зволяет снизить шероховатость рабочей поверхности до мкм по
Сравнивая результаты обработки свободновращающимся и заторможен ным инструментами установлено что эффект самовращения придает обрабо танной поверхности благодаря враще нию режущего элемента разносторон нее давление на волокна что приводит к более глубокому разрыхлению волокон
и соответственно к увеличению периода обкатки НБВС на суперкаландре Из па раметров режима резания наибольшее влияние на формирование шероховато сти рабочей поверхности НБВС оказы вает подача значение которой на чисто вых проходах следует назначать из диа пазона мм об а на получисто
вых мм об
Применение для обработки бу мажных валов чашечных инструментов с принудительным обновлением режу щей кромки позволяет повысить произ водительность в раз по сравне
нию с традиционным способом К тому же наличие отдельного привода для об новления режущий кромки позволяет управлять скоростью притупления и формой геометрии режущего клина не посредственно в процессе обработки что предоставляет возможность соот ветственно управлять процессом фор мирования шероховатости обработан ной поверхности в зависимости от же сткости технологической системы или осуществлять подбор режимов резания и скорости обновления режущей кромки исходя из конкретного состояния обо рудования опор качения и жесткости самого вала
Таким образом преимущества обра ботки с непрерывным обновлением ре жущей кромки при ее однократном ис пользовании заключаются в следующем
износ в точке режущей кромки окончательно формообразующей обра ботанную поверхность минимальный или равен нулю и не изменяется в тече ние рабочего хода что сохраняет размер статической настройки технологической системы и стабилизирует точность об работки
минимальная величина износа в области вершины режущей кромки обеспечивает стабильность шероховато сти обработанной поверхности в преде лах периода стойкости режущего эле мента
стабильность и неизменность геометрических параметров режущего
лезвия в течение всего периода стойко сти гарантирует неизменность сил и температуры в зоне резания что повы шает виброустойчивость технологиче ской системы
увеличение фаски износа и ра диуса перехода между передней и зад ней поверхностями режущего элемента от вершины к выходу из участка кон такта режущей кромки с необработан ной поверхностью заготовки позволяет более нагружать приповерхностные слои заготовки и гарантирует неизмен ное качество обрабатываемой поверх ности детали лучшее стружкодробле ние завивание стружки минимум на клепа и остаточных напряжений на по верхности детали
обеспечение равномерного на грева и охлаждения при прохождении участка режущей кромки зоны резания исключает температурные напряжения болезненные для твердого сплава и тер моусталостный износ
возможность увеличения или уменьшения скорости обновления ре жущей кромки во время обработки по зволяет управлять величиной износа в области вершины режущего элемента и соответственно стабилизировать точ ность и качество обрабатываемой по верхности за счет выправления изме няющихся условий обработки
непрерывное обновление режу щей кромки позволяет до двух раз по высить стойкость режущих элементов по сравнению с прерывистым полным обновлением
НБВС в силу своих конструктив ных особенностей отличаются низкой жесткостью и соответственно низкими силами упругого сопротивления По этому упругая система НБВС легко приходит в колебательное движение при выводе каким либо путем из равно весия Колебания происходят около по ложения упругого равновесия при ко тором в нагруженной системе имеют место статические деформации и соот ветствующие им статические напряже
ния При колебаниях к статическим де формациям добавляются динамические зависящие от вида колебательного дви жения и амплитуды
В связи с вышеизложенным обес печение технических требований предъ являемых к НБВС в результате механиче ской обработки является сложнейшей задачей Ввиду низкой жесткости НБВС обработка данных изделий возможна с частотами вращения значительно отли чающимися от собственной частоты во избежание появления резонанса При этом следует учитывать наличие прогиба у НБВС при установке на станке в стати ческом состоянии как фактора снижаю щего устойчивость Как показала практи ка эксплуатации и наши измерения вели чина прогиба составляет от мм при формате мм до мм при формате мм Наличие постоянно дейст вующего растягивающего усилия от давления набивочного материала на за порную арматуру поддерживает сталь ной сердечник НБВС в напряженном растянутом состоянии Действие посто янных растягивающих напряжений в сердечнике НБВС при приложении кру тящего момента способствует незначи тельному уменьшению прогиба во вре мя вращения Но тем не менее умень шить прогиб НБВС при вращении до нуля не удается и обработку приходится производить с динамическим прогибом в вертикальной плоскости отличным от статического Также сила резания при кладываемая к НБВС при обработке стремится отклонить его от состояния равновесия Если силы инерции и растя гивающие усилия в сердечнике стре мящиеся уменьшить прогиб НБВС при ближая положение оси вала к оси цен тров станка при вращении будут пре вышены составляющими усилия реза ния по одной из осей произойдет сме щение центра масс НБВС и вибро устойчивость снизится Все эти факто ры в значительной мере определяют стабильность состояния НБВС при об работке Применительно к расчету виб роустойчивости системы НБВС нами ис
пользован программный продукт по строенный по модульному принципу как автономная система анализа МКЭ Она включает модули для решения линейных и нелинейных статических и динамиче ских задач анализа механических конст рукций а также анализ собственных час тот и форм колебаний
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
Коновалов, Е. Г. Прогрессивные схемы ротационного резания металлов Е Г Коновалов В А Сидоренко А В Соусь Минск
Ротационное резание материалов П И Ящерицын и др Минск
Ерохин, А. А. Обработка резанием
стеклопластиков А А Ерохин Высокопроизво дительное резание в машиностроении сб тр М С
Жолобов, А. А. Особенности обра ботки набивных бумажных валов суперкаландра НБВС резцами с обновляющейся режущей кромкой А А Жолобов В А Логвин Вестн Белорус Рос ун та № С
Беляев, Н. М. Сопротивление мате риалов Н М Беляев М
Алямовский, А. А.
Инженерный анализ методом конечных элементов А А Алямовский М
Сегерлинд, Л. Применение метода конечных элементов Л Сегерлинд М
Секулович, М. Метод конечных эле ментов М Секулович М
Зенкевич, О. Метод конечных эле ментов в технике О Зенкевич М
Белорусско Российский университет Материал поступил
V. A. Logvin, A. A. Zholobov, P. F. Kotikov Advantages of edge cutting machining for forming of supercalander shafts
