Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса задачи исследования 9
1 1.1. Назначение и технические требования 9
1.1.1. Корпус эксцентрика механизма качания кристаллизатора машин непрерывного литья 9
1.1.2. Износ деталей установки непрерывного литья 11
1.2. Восстановление деталей металлургической промышленности с помощью наплавки 17
1.3. Механическая обработка наплавленных деталей 19
1.3.1. Оборудование и инструмент для механической обработки восстанавливаемых деталей 19
1.3.2. Обеспечение точности и шероховатости поверхности обрабатываемых изделий и назначение режимов резания 22
1.4. Обработка поверхности детали после наплавки 27
2. Разработка системы оптимизации технологических процессов обработки крупногабаритных изделий 32
2.1. Определение цели оптимизации 32
2.2. Влияние ударной нагрузки при механической обработке наплавленных деталей 34
2.3. Выбор параметров оптимизации процесса обработки изделия 37
2.4. Моделирование и расчет предельных напряжений в режущей части инструмента в процессе резания 41
2.4.1. Моделирование ударного взаимодействия режущей части инструмента с деталью 41
2.5. Методы оптимизации 52
2.6. Составление математической модели оптимизации механической обработки корпуса эксцентрика 55
3. Экспериментальное исследование параметров обработки крупногабаритных деталей восстанавливаемых наплавкой 59
3.1. Методика проведения эксперимента 59
3.1.1. Методика определения значений мощности 59
3.1.2. Образцы и инструмент 69
3.2. Эксперимент по определению параметров технологического процесса обработки крупногабаритных деталей 70
3.3. Определение параметров обработки наплавленных деталей 79
3.4. Влияние ударной нагрузки на точность выполнения размера 82
3.5. Обеспечение точности механической обработки корпуса подшипника эксцентрикового вала 90
4. Использование оптимальных режимов обработки крупногабаритных деталей в разработке технологических процессов и проектировании оборудования 97
4.1. Исследование полученной модели обработки в условиях реального производства 97
4.1.1. Подготовка данных по динамической прочности резца для практического использования 97
4.1.2. Обработка детали в соответствии с полученной моделью 101
4.2. Разработка методики восстановления корпуса эксцентрика 104
4.3. Сравнительная оценка экономической эффективности внедрения результатов работы 105
4.4. Практическая реализация результатов исследований процесса восстановления корпуса эксцентрика 109
4.4.1. Реализация автоматизированной схемы управления технологическим процессом обработки 110
Общие выводы 117
Список литературы 119
Приложения 131
- Износ деталей установки непрерывного литья
- Моделирование ударного взаимодействия режущей части инструмента с деталью
- Эксперимент по определению параметров технологического процесса обработки крупногабаритных деталей
- Реализация автоматизированной схемы управления технологическим процессом обработки
Введение к работе
Актуальность темы. Современное оборудование различных отраслей промышленности содержит крупногабаритные детали. Это горнометаллургическое оборудование, строительное, химическое, оборудование предприятий промышленности строительных материалов, кузнечно-прессовое и т.п. Как известно в настоящее время его парк значительно изношен, у предприятий отсутствуют средства для его замены. Да и сам процесс замены довольно дорогостоящее мероприятие. Так в последние годы произошло увеличение стоимости топлива и энергоресурсов, что привело к удорожанию металла, к тому же многие крупные машиностроительные предприятия просто простаивают из-за нехватки оборотных средств. Предприятия металлургической промышленности, имеющее сталеплавильное и сталепрокатное оборудование, также остро нуждаются в недорогих, но эффективных технологиях восстановления крупногабаритных деталей этого оборудования.
Износ внутренней поверхности корпуса эксцентрика механизма
качания кристаллизатора машин непрерывного литья приводит к остановке
оборудования, что в свою очередь вызывает остановку процесса получения
литой заготовки и удорожание конечного продукта. Замена корпуса
эксцентрика связана с заказом нового, транспортировкой его, обработкой и
монтажом. Подобные крупногабаритные изделия изготавливаются
специализированными предприятиями, которые находятся на значительном удалении. Альтернативным вариантом подобному решению — является восстановление корпуса непосредственно на предприятии силами ремонтных служб. Подобное решение, позволяющее получить экономию на стоимости ремонта порядка 30%, требует разработки специальных технологий восстановления, подбора оборудования, инструмента и материалов.
Если на предприятии имеется оборудование, позволяющее производить наплавку изношенной поверхности корпуса эксцентрика и его механическую обработку, то задача персонала, реализующего технологию восстановления детали, заключается в назначении оптимальных режимов наплавки и механической обработки.
Цель и задачи исследований. Получение высокой производительности механической обработки деталей металлургического оборудования, восстанавливаемого наплавкой, при минимальных затратах и сохранении или повышении качества восстанавливаемой поверхности.
Методы исследования. При выполнении теоретических исследований использовались методы анализа и систематизации научных знаний. Теоретическое моделирование процессов механической обработки деталей производилось с использованием метода конечных элементов. При обработке результатов эксперимента использовались численные методы расчетов, с последующим их использованием в Simulink - моделях.
4 Научная новизна работы. В работе теоретически установлены и экспериментально подтверждены технологические связи процесса восстановления крупногабаритных деталей оборудования металлургической промышленности, которые включают в себя:
-
Теоретически обоснованную модель процесса назначения технологических параметров механической обработки.
-
Теоретически обоснованную возможность получения качественного изделия при его восстановлении на механическом участке предприятия.
-
Методику назначения режимов механической обработки деталей оборудования металлургической промышленности в условиях ударной нагрузки.
-
Закономерности износа инструмента при механической обработке крупногабаритных деталей с переменным припуском и имеющих дефекты на поверхности и различную твердость участков.
Практическая значимость работы. Разработаны номограммы для определения оптимальных параметров механической обработки крупногабаритных деталей в условиях ударной нагрузки, которые позволяют эффективно использовать оборудование, материалы и режущий инструмент.
Апробация работы. Материалы по работе доложены на международной научной конференции в г. Севастополь (Украина) в 2004 году, на международной конференции в г. Лодзь (Польша) в 2004 г. Автором получен патент на полезную модель №40234 в 2004 году.
Результаты работы. Результаты внедрены на ОАО «Оскольский электрометаллургический комбинат» в ремонтно-механическом цехе и используются для восстановления корпусов эксцентриков механизма качания кристаллизатора машины непрерывного литья, а так же в учебный процесс кафедры технологии машиностроения БГТУ им. В.Г. Шухова.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 6 печатных работ в виде научных статей и тезисов докладов на научных конференциях.
Положения, выносимые иа защиту.
L Результаты, проведенных теоретических и экспериментальных
исследований по установлению закономерностей изменения основных технологических параметров механической обработки крупногабаритных деталей в условиях ударной нагрузки, а также влияние дефектов после наплавки на параметры механической обработки.
2. Систему оптимизации параметров процесса механической обработки крупногабаритных деталей, имеющих переменный припуск, дефекты поверхности и различную твердость участков.
3. Методику моделирования технологических процессов токарной обработки при обработке крупногабаритных деталей.
5 4. Инженерную методику назначения режимов при восстановлении крупногабаритных деталей металлургической промышленности.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы, приложений. Объем основной части диссертации составляет 128 страниц машинописного текста, который включает в себя 50 рисунков и 13 таблиц, а также список литературы из 134 наименований.
Износ деталей установки непрерывного литья
Эксплуатация металлургического оборудования производится круглосуточно в условиях непрерывного производства. Оборудование подвергается значительным знакопеременным силовым нагрузкам, тепловому воздействию, износу абразивными частицами, всегда присутствующими в атмосфере литейных и прокатных цехов.
Силовые нагрузки на детали оборудования вызывают их поломку, которая может произойти раньше, чем наступит время планово-предупредительного ремонта оборудования. Предотвращение этих поломок возможно при правильном расчете на прочность и контактную жесткость узлов и деталей оборудования. Современные программные средства [55,81] позволяют определить оптимальную конструкцию детали уже на этапе конструкторской разработки. Но в настоящее время в эксплуатации находится оборудование, спроектированное в то время, когда вычислительные средства, реализующие конечно-элементный анализ не могли быть использованы проектными организациями по проектированию специализированного оборудования ввиду их значительной стоимости, следовательно, в детали заложен предел прочности с запасом, либо они имеют небольшой период эксплуатации. Предотвратить последствия неожиданной поломки детали во время технологического цикла, можно производя плановый ремонт оборудования. Сроки планового ремонта оборудования определяются на основании данных по эксплуатации оборудования или его аналогов за предыдущие периоды, либо путем моделирования его работы и учетом силовых нагрузок [ 85 ].
Повышенная температура эксплуатации оборудования и неравномерное распределение температурных полей оказывают негативное влияние на прочностные свойства деталей металлургического оборудования, увеличивают вероятность их выхода из строя. Следовательно, тепловой фактор должен учитываться при расчетах на прочность и контактную жесткость, что уже усложняет задачу.
Рассматриваемый в настоящем исследовании корпус эксцентрика, работает в паре с валом эксцентрика, следовательно, имеет место пара трения сталь по стали, что приводит к размерному износу, который интенсифицируется присутствующими в атмосфере металлургического цеха абразивными частицами. Этот вид износа может привести к поломке оборудования, но главное — это вид износа вызывает изменение параметров выпускаемой продукции. Замена изношенных деталей производится при плановой остановке оборудования, по предельно допустимой абсолютно-допустимой величине этого износа.
Для определения срока службы деталей сопряжения необходимо знать предельно допустимую величину ее износа и скорость износа. В реальных условиях эксплуатации технологического оборудования скорость износа сопряженных деталей может быть определена статистическим методом. Для этого необходимо проработать детали с нормальной нагрузкой в течение 150-200 часов.
Успешное прогнозирование долговечности пары сопряженных деталей зависит от правильного определения интенсивности Ij,. Интенсивность изнашивания является функцией механических, физических и химических процессов и ее расчет по теоретическим зависимостям для каждой конкретной пары достаточно сложен, поэтому интенсивность изнашивания определяется главным образом экспериментально.
В таблице 1 приведены обобщенные экспериментальные данные по оценкам интенсивностей линейного изнашивания трущихся деталей некоторых машин и оборудования.
В расчетах времени срока работы детали величину допустимого износа найдем по величине предельного износа, т.е. (h), который определяется по соответствующим формулам [ 121 ].
Выбрав интенсивность изнашивания для соответствующего вида машины по данным табл. 1.1 и определив по техническим характеристикам машины скорость скольжения детали, найдем срок ее службы.
Величина линейного износа по диаметру определяется в соответствии с требованиями ГОСТ 27.204-83, ГОСТ 25346-89, ГОСТ 27.003-90, а также другими нормативными документами, в том числе и разрабатываемыми непосредственно на предприятии, на основании статистических данных. Требования к корпусу эксцентрика должны соответствовать ГОСТ 11608-82. В рассматриваемом корпусе эксцентрика допускается предельная величина износа посадочного диаметра — до 0,6 мм.
Если поломку узла или детали относят к неисправимым дефектам оборудования, то размерный износ деталей позволяет произвести их восстановление. Детали, подвергающиеся восстановлению, классифицируют по видам ремонтных работ, в соответствии с таблицей 1.2.
Моделирование ударного взаимодействия режущей части инструмента с деталью
Процесс снятия припуска при механической обработке наплавленных деталей связан со значительными ударными нагрузками, так как, в результате выполнения наплавки на наплавляемой поверхности возникают раковины и трещины (рис. 2.1). Избежать их появления практически не возможно, уменьшение вероятности их появления находится в прямой зависимости от скорости наплавки, что в конечном итоге может привести к значительному увеличению времени восстановления изделия. Работа инструмента со значительными ударными нагрузками приводит к частому его выходу из строя, т.е. возникает необходимость его частой смены. Таким образом, согласно, изложенной в 2.1, методике определения производительности, требуются дополнительные затраты на смену инструмента и его переточку. Возможна, также, безвозвратная потеря инструмента ввиду полного разрушения его режущей части или пластической деформации державки резца. Сечение последней можно определить предварительно [81], а ударную стойкость режущей части следует увеличивать подбором соответствующих режимов обработки.
Известные методики расчета [90,115]напряжений, возникающих при ударе режущей части не позволяют с приемлемой вероятностью определить их связь с режимами, т.к. они получены из соотношений, не учитывающих особенности механической обработки. Для более полного учета всех факторов и обеспечения точности расчетов следует использовать метод конечных элементов, требующий применения высокопроизводительной ЭВМ. Моделирование силового взаимодействия детали и режущей части инструмента проведем с использованием системы конечно-элементного анализа ANSYS. В качестве пакета для моделирования используем ANSYS Structural U. Первым этапом является получения значений силы удара при различных скоростях обработки, выполним основные шаги этого этапа:
1. В качестве режущей части инструмента используем твердый сплав Т5К10 ГОСТ 3882-74 имеющий плотность 8300 кг/м3, модуль Юнга 3.5е5 мПа, коэффициент Пуансона 0.3.
2. В качестве материала детали принимаем сталь со свойствами -модуль Юнга 3.5е5 мПа, коэффициент Пуансона 0.3, плотность для упрощения геометрических построений и сокращения итераций при расчете принимаем равной 30000 кг/м
3. Геометрические построения модели ударного взаимодействия производим в редакторе ANSYS.
4. В качестве элементов разбиения детали используем 10 узловой тетраэдр, для режущей части - 20 узловой тетраэдр (см рис 2.2).
5. Назначаем реальные константы пакета, глубину взаимного проникновения устанавливаем 0. 5 мм.
6. В качестве контактных поверхностей назначаем - в детали нижнюю поверхность выступа; в режущей пластине переднюю режущую кромку. Разбиваем на соответствующие конечные элементы
7. Запрещаем смещение задней плоскости режущей пластины по всем осям, запрещаем смещения всех узлов модели в направлении оси X и оси У, т.е. назначаем граничные условия.
8. Назначаем время счета 0.0035 с, с инкрементом 0.00001с, время старта - 0.
9. Назначаем условие инициализации смещения детали с заданной скоростью во время 0.
10. Запускаем программу на счет, один из результатов расчета приведен на рис. 2.3.
Моделирование излома режущей части инструмента также проводим с использованием пакета ANSYS Structural U, поскольку этот этап является наиболее важным во всем процессе исследований, то рассмотрим его шаги подробнее, чем для предыдущего этапа.
1. Строим геометрию модели с использованием какого-либо CAD пакета, например ADEM или Solid Edge (при построении модели использовались оба пакета). Необходимость использования специальной CAD программы обусловлена тем, что для более полного моделирования излома режущей части требуются точное построение геометрии режущей части инструмента, а геометрический редактор ANSYS затрудняет эти построения. На рис. 2.5 представлена геометрическая модель инструмента и детали.
2. Сохраняем файл, для последующего импорта в пакет МКЭ-анализа, в формате ACIS или Parasolid.
3. Для облегчения расчетов используем утилиту моделирования механических устройств системы ANSYS.
4. Импортируем модель, назначаем материалы и проводим разбиение модели на конечные элементы. При загрузке модели следует указать наличие контактных поверхностей в сборке и только после этого разбивать модель на конечные элементы. Для объемов назначаем элемент SOLID92 (10-ти узловой тетраэдр), для контактируемых поверхностей SURF154, TARGE170, CONTA174.
Эксперимент по определению параметров технологического процесса обработки крупногабаритных деталей
Так как глубина резания в процессе обработки изменяет свое значение от максимального до нулевого, то достаточно провести всего три опыта для различных величин подачи. Результаты значений напряжений на измерительном шунте и глубины резания заносятся в файл, который обрабатывается с помощью MATLAB, а затем передается в EXCEL для последующей обработки. Из полученных значений глубины резания выбираются значения согласно уровням таб.3.3 и соответствующие им значения функции отклика, формируется вектор значений функций отклика в соответствии с табл. 3.3, и передается в рабочий лист MathCAD, где и производится определение коэффициентов уравнения регрессии. Вектор-столбец, взятый из рабочего листа MathCAD.
Некомпозиционный план второго порядка для трёх факторов и результаты эксперимента позволяют оценить полином следующего вида: У=ЬоКо+ЬіХі+Ь2Х2+ЬзХз+Ь12Х]Х2+Ь1зХ]Хз+Ь2зХ2Хз+Ь]Х1 +Ь22Х2 +Ь3зХз (4.7)
Для определения коэффициентов регрессии полинома 4.7 произведем преобразования матрицы планирования эксперимента, описанные в [66...69] Коэффициенты полинома представлены в виде вектора В. Вектор слева от него введён в качестве комментария и в расчётах никакого участия не принимает, так как предварительно не был описан вектор с именем Ь. В [49]
представлена таблица для определения дисперсии. При уровне значимости 0,05 (5%) и числе степеней свободы 2 табличное значение критерия t=4,3. Это значение больше экспериментальных значений коэффициентов Ьз, ЪЦ, Ь]2 ЬІЗ, Ь2з„ Ъзз » следовательно, указанные коэффициенты можно признать статистически незначимыми и исключить их из уравнения регрессии, которое приобретает вид у = -1,361 + 0,3 14JC, + 0,882лг2 - 0,507 2,2 (3.9)
Анализ коэффициентов уравнения регрессии показывает, что коэффициент, учитывающий влияние третьего параметра процесса обработки — скорости, меньше расчетного значения критерия Стьюдента, это объясняется тем, что при варьировании его величина принималась одинаковой на всех уровнях. В реальных условиях этот параметр согласно данным [67] изменяется, хотя и в не значительном диапазоне. Следовательно, расчетную формулу необходимо ввести Ьз. Присутствие степенного показателя в уравнении регрессии значительно снижает возможности преобразования получаемого уравнения и усложняет окончательную расчетную формулу, следовательно, от него необходимо попытаться избавиться. Таким образом, с учетом выше изложенного исходное уравнение регрессии приобретает вид у = -1,361 + 0,3 14JC, + 0,882 2 + 0,039 3 (зло)
После производства подстановки переменных и потенцирования N = 5.868 10"3 -s024S t1М V2 769 (3.11)
Выражение 3.11 является исходным выражением для уточненного поиска показателей степени при параметрах процесса резания. Для поиска с определенной точностью постоянной С, s,t,v воспользуемся алгоритмом полного перебора значений показателей степени в примерном интервале, заданном в выражении 3.11 и задаваемым шагом.
Матрица расчетных значение, полученный по этой формуле в MATLAB W = 0.0003 0.0006 0.0010 0.0225 0.0563 0.0900 0.0707 0.1767 0.2826 После преобразования матрицы расчетных значений в вектор и подстановки его в лист MathCAD по обработке результатов эксперимента определим расчетный критерий Фишера, определяющий адекватность полученной модели процесса резания.
Согласно [48] табличное значение критерия Фишера для точности 1 % и двух степенях свободы составляет 99,17, что значительно больше рассчитанного, из чего можно сделать вывод — уравнение расчета мощности привода подачи станка при нестационарной обработке адекватно.
Реализация автоматизированной схемы управления технологическим процессом обработки
Управление ходом технологического процесса, реализуемое с помощью адаптивной системы управления наиболее простой и легко реализуемый метод модернизации оборудования, учитывающий особенности технологического процесса обработки.
Предлагаемая схема реализации адаптивной схемы управления испытана автором при проведении эксперимента и позволяет модернизировать оборудование, долгое время находящееся в эксплуатации. Указанный выше станок ФТ-11 имеет электрогидравлическую схему управления, что позволяет наиболее просто реализовать алгоритм управления с помощью переключаемых электромагнитных клапанов. При наличии в станке регулируемого устройства возможно плавное изменение технологических параметров обработки.
В качестве датчика тока в системе управления используется датчик на основе трансформатора тока, т.к. в приводе главного движения станка использован асинхронный двигатель переменного тока. В том случае, если в качестве привода главного движения станка используется двигатель постоянного тока (а такая ситуация уже встречалась автору), в качестве датчика тока используется шунт. Но в современном оборудовании часто на пульте управления присутствуют приборы, отображающие текущее значение мощности, следовательно, получить сигнал и ввести его в компьютер можно от этого прибора. Но так как, в аудиокарту ПК не возможно ввести сигнал постоянного тока, то сигнал от датчика мощности требуется предварительно промодулировать с частотой 50... 10000 Гц. Схема реализации адаптивной системы управления на базе ПК представлена на рис. 4.4.
Сигнал от датчика тока поступает на вход усилителя, который может быть выполнен на аудиокарте ПК совместно с АЦП (аналогово-цифровым преобразователем). Сигнал, поступающий в ПК, обрабатывается Simulink-моделью, рассмотренной в главе 2. Модель дополнена соответствующими блоками, позволяющими задавать предельные значения подачи, скорости резания, мощности. Один из вариантов реализации интерфейса подобной
На интерфейсе представлены движковые регуляторы (Slider) позволяющие задавать значения скорости и подачи, которые отображаются в соответствующих окнах. В отдельном графическом окне отображается текущее значение мощности. Присутствующие на панели интерфейса кнопки «Пуск» и «Стоп» позволяют производить управление станком. На рис. 4.6 представлена SF -диаграмма из Simulink-модели программы управления процессом механической обработки.
Управление станком осуществляется посредством отдельного контроллера, обмен данными с которым осуществляется через СОМ - порт, возможен обмен данными через LPT-порт, что значительно проще, но имеет определенные ограничения [99,32]. Через силовые управляющие элементы контроллер управляет исполнительными устройствами станка.
Реализованная система управления может быть представлена как система типа HNC или по ГОСТ - Ф1, т.е. система числового программного управления с ручным управлением и цифровой индикацией.
Адаптивно-программная система управления, реализованная подобным образом имеет следующие преимущества:
1. Реализация его не связана со значительными интеллектуальными и материальными затратами. Разработчик системы должен иметь хорошую подготовку в области проектирования технологических процессов механической обработки, знать устройство металлорежущих станков, иметь начальные навыки работы в MatLab.
2. Время реализации системы управления соизмеримо со временем ее разработки, а также может осуществляться во время неё.
3. Система обладает значительной гибкостью и может быть встроена в любую современную систему управления металлорежущим оборудованием.
4. Система управления может содержать базу данных для назначения режимов резания и выбора режущего инструмента на основе разработок, выполненных в главах 2 и 3 настоящей работы.
