Содержание к диссертации
Введение
Глава первая. Состояние вопроса и постановка задачи исследования 6
1.1. Анализ работы чесальной машины и роль гарнитуры в процессах чесания 6
1.2. Точность изготовления пильчатой гарнитуры и рабочих органов чесальной машины 8
1.3. Требования к механическим свойствам пильчатой гарнитуры 10
1.4. Анализ требований к эксплуатационным характеристикам пильчатой гарнитуры 11
1.5. Существующие методы повышения долговечности пильчатой гарнитуры 14
1.6. Анализ методов поверхностного упрочнения гарнитуры чесальных машин 15
1.7. Возможности магнитной обработки и магнитных установок 24
1.8. Характер структурных изменений в металлах под влиянием магнитного поля 32
Выводы и задачи исследования 37
Глава вторая. Конструкторская часть 40
2.1. Разработка конструкции установки для импульсной магнитной обработки 40
2.2. Разработка конструкции магнитного индуктора 54
2.2.1. Расчет силовых характеристик магнитного поля в магнитном индукторе 54
2.3. Разработка конструкции установки для исследования пильчатой гарнитуры на износостойкость 60
Выводы 63
Глава третья. Исследование влияния режимов импульсной .магнитной обработки на физико-механические свойства пильчатой гарнитуры 64
3.1. Постановка задачи проведения экспериментов по оценке влияния режимов импульсной магнитной обработки на износостойкость пильчатой гарнитуры 64
3.1.1. Математическое описание процесса влияния режимов импульсной магнитной обработки моделью 1 -го порядка ... 66
3.1.2. Математическое описание процесса влияния режимов импульсной магнитной обработки моделью 2-го порядка... 74
2. Исследование физико-механических свойств пильчатой гарнитуры 79
3. Исследование величины износа пильчатой гарнитуры 100
Выводы 104
Глава четвертая. Использование импульсной магнитной обработки при изготовлении пильчатой ленты в условиях ЗАО «РЕМИЗ» 105
1. Упрочнение прокатных роликов импульсным магнитным полем 105
2. Упрочнение резцов (пуансонов) и матриц фрезерного станка импульсной магнитной обработкой 108
3. Обработка пильчатой ленты импульсным магнитным полем на автоматической линии
Выводы 129
Основные результаты и выводы по работе
Оценка экономической эффективности внедрения импульсной магнитной обработки по обработке резцов(пуансонов) и прокатных роликов 132
Библиографический список 138
Приложения
- Точность изготовления пильчатой гарнитуры и рабочих органов чесальной машины
- Разработка конструкции магнитного индуктора
- Математическое описание процесса влияния режимов импульсной магнитной обработки моделью 1 -го порядка
- Упрочнение резцов (пуансонов) и матриц фрезерного станка импульсной магнитной обработкой
Введение к работе
Повышение качества чешущей гарнитуры чесальных машин имеет важное народно-хозяйственное значение, Чешущая гарнитура с высокими эксплуатационными характеристиками обеспечивает рост производительности труда, экономию металла и повышение качества изделий легкой и текстильной промышл енно сти.
Применение новых высокоскоростных чесальных машин и использование хлопка различной засоренности предъявляют повышенные требования к качеству чешущей гарнитуры.
Для изготовления чешущей гарнитуры в текстильном машиностроении используется проволока из углеродистой стали 50, 55 и 65. Материал, технология изготовления, термическая обработка отечественной чешущей гарнитуры не претерпевали изменений в течение длительного времени, несмотря на модернизацию оборудования в прядильном производстве текстильной промышленности. Чешущая гарнитура к чесальным машинам, поступающая на внутренний рынок с отечественных заводов-изготовителей, не отвечает требованиям, которые предъявляются к эксплуатационным характеристикам чешущей гарнитуры при современном развитии оборудования текстильной промышленности. Значительно возрос импорт чешущей гарнитуры в Россию из Германии, Швейцарии, Японии.
Поэтому возникает необходимость увеличения долговечности отечественной чешущей гарнитуры путем совершенствования технологического процесса ее изготовления, а именно: изыскание нового способа ее поверхностного упрочнения.
Цель работы. Повышение качества изготовления пильчатой ленты для чесальных машин за счет улучшения ее эксплуатационных характеристик путем применения упрочняющей импульсной магнитной обработки.
Научная новизна і. Получена математическая модель оценки влияния режимов импульсной магнитной обработки на износостойкость зубьев пильчатой ленты. Проведена оптимизация режимов обработки.
Установлено применение физико-математических и эксплуатационных свойств пильчатой ленты под влиянием обработки магнитным полем.
Выявлен механизм изнашивания режущих кромок резцов для нарезания зубьев и рабочих поверхностей прокатного ролика для формирования профиля пильчатой ленты.
Практическая значимость
Полученные результаты теоретических и экспериментальных исследований позволили:
Повысить износостойкость пильчатой гарнитуры в 1,5 раза, резцов для нарезания зубьев - в 2 раза, прокатных роликов - 1,5 раза за счет упрочнения их импульсным магнитным полем.
Получить математическую модель, отражающую влияние режимов магнитной обработки на износостойкость пильчатой гарнитуры, и на ее основе выявить оптимальные режимы импульсной магнитной обработки.
Разработать и предложить конструкцию импульсной магнитной установки для упрочнения пильчатой ленты при ее изготовлении на автоматической линии.
Точность изготовления пильчатой гарнитуры и рабочих органов чесальной машины
Требования, предъявляемые к точности рабочих органов, оснащаемых пильчатой лентой, регламентируются ГОСТ 23828. Например, биение чесальных барабанов с навитой на него поверхности пильчатой гарнитурой, не должно превышать 0,02 мм; неровнота комплекта гарнитуры шляпок по вершинам зубьев не должна быть более 0,05 мм; разновысотность вершин зубьев шляпки должна быть не более 0,02 мм; величина площадки вершины зуба должна быть в пределах 0,15±0,01 х 0,1±0,01.
Вышеуказанные требования к точности изготовления чесальных органов определяют требования к точности изготовления пильчатой ленты отечественного и зарубежного производства. Основные данные по точности изготовления пильчатой ленты отечественного и зарубежного производства приведены в таблице 1.1. нарезание зубьев в профильной ленте производится на фрезерном (зубопросечном) станке при скорости движения ленты 5-6 м/мин. После нарезания зубья пильчатой ленты закаливаются на закалочной машине.
При оценке качества пильчатой ленты производится проверка твердости HV по Викерсу закаленной части зубьев и основания ленты, величин боковой нагрузки на изгиб зуба и разрывной нагрузки на ленту (4). При этом твердость закаленной части зуба на расстоянии 0,5 мм от вершины зуба не должна быть менее 600 ед. по Викерсу , а твердость основания ленты не должна быть более 230 единиц.
Качество изготовления чешущей гарнитуры чесальных машин имеет важное народнохозяйственное значение. Чешущая гарнитура с высокими эксплуатационными характеристиками обеспечивает рост производительности труда, экономию металла и повышение качества изделий легкой и текстильной промышленности. Применение новых высокоскоростных чесальных машин и использование хлопка различной засоренности предъявляют повышенные требования к качеству чешущей гарнитуры. Однако, материал, технология изготовления, термическая обработка отечественной чешущей гарнитуры не претерпевали изменений в течение длительного времени, несмотря на модернизацию оборудования в прядильном производстве текстильной промышленности. Чешущая гарнитура к чесальным машинам, поступающая на внутренний рынок с отечественных заводов, не отвечает требованиям, которые предъявляются к эксплуатационным характеристикам чешущей гарнитуры при современном развитии оборудования текстильной промышленности. Значительно возрос импорт чешущей гарнитуры в Россию из Германии, Швейцарии и Японии.
Основными эксплуатационными характеристиками чешущей гарнитуры являются износостойкость л и проникающая способность. В процессе чесания волокнистой массы на чесальной машине зубья гарнитуры подвергаются значительным нагрузкам, величина которых зависит от проникающей способности гарнитуры, а именно, от величины площадки вершины зуба: чем меньше величина площадки, тем лучше проникающая способность гарнитуры в волокнистую массу и выше качество прочеса чесальной ленты (меньше количество пороков и узелков в 1 г, лучше ориентация волокон в .ленте, выше линейная плотность и т.д.). Качество чесальной ленты влияет на физико-механические свойства пряжи, ее засоренность, неровноту и обрывность на прядильных машинах, а в конечном итоге на качество выпускаемой ткани.
Для повышения износостойкости зубьев пильчатой гарнитуры их поверхность покрывают различными составами: например, карбидами ванадия, ниобия, тантала [22], хрома [23]. Другими способами упрочнения зубьев являются закалка лазерным лучом [24], электроискровой обработкой [20], токами высокой частоты [21]. По патенту [25] для уменьшения скола вершины зубьев их притирают с круглым элементом из пластмассы или металла до появления округлости на вершине зуба.
Методы упрочнения гарнитуры [22-24, 25] взяты из зарубежных патентных источников и потому подробная информация об их применении отсутствует. В работе РХ.Махкамова [21] приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований ударного взаимодействия пильчатой гарнитуры с твердым телом; показан механизм разрушения зубьев сегментов и характер изменения деформации зуба при неравномерной закалке зуба по высоте; найдены связи между параметрами удара деформаций зуба, позволяющие прогнозировать повышение ударной стойкости пильчатой гарнитуры за счет газоплазменной закалки зубьев и введения дополнительного демпфирующего элемента.
Разработка конструкции магнитного индуктора
Решение задачи определения характеристик магнитного поля обычно требует громоздких вычислений и не выражается в элементарных функциях. Однако в настоящее время появился ряд программных комплексов, таких как Ansys, El cut и др. позволяющих эффективно производить расчет двумерных и трехмерных задач магнитостатики на основе конечно-элементного моделирования [100-101].
Для расчета и анализа конфигурации магнитного поля использовался программный комплексе Elcut 5.0. Комплекс позволяет решать задачи магнитостатики в линейной и нелинейной постановках. Источником поля могут служить сосредоточенные и распределенные токи и токовые слои, постоянные магниты, а также внешние магнитные поля.
При решении этих задач используется уравнение Пуассона для векторного магнитного потенциала А (В = rotA B- вектор магнитной индукции). В рассматриваемой задаче вектор индукции В лежит в плоскости модели (ху или zr), а вектор плотности стороннего тока у и векторный потенциал А перпендикулярны к ней.Источник, заданный в конкретной точке плоскости ху (zr), описывает ток, проходящий через эту точку в направлении третьей оси. Задание плотности тока в токовом слое эквивалентно неоднородному граничному условию Неймана и осуществляется с его помощью. Пространственно распределенный ток описывается либо посредством плотности электрического тока, либо полным числом ампер-витков, ассоциированной с блоком. Плотность тока в катушке рассчитывалась по формуле: где: п - количество витков катушки; /- полный ток; S - площадь поперечного сечения катушки. Различные блоки, в которых задано одно и то же полное число ампер-витков, рассматриваются, как соединенные последовательно. В этом случае плотность тока в каждом блоке вычисляется делением общего числа ампер-витков на площадь блока.
При построении модели на внешних границах задается граничное условие Дирихле, задающее на части границы наперед известный векторный магнитный потенциал в вершине или на ребре модели. Это граничное условие определяет поведение нормальной составляющей индукции на границе.
Для проведения испытаний гарнитуры на износоустойчивость была использована машина трения типа 2070СМТ - 1, имеющая широкий диапазон изменения скорости вращения вала и позволяющая измерять момент трения при контакте двух тел вращения. Дополнительно для проведения экспериментов была сконструирована и изготовлена установка, конструкция которой приведена на рис. 2.12 [103]. Конструктивно установка состоит из уголка 1, который крепится к станине 2 машины трения при помощи двух болтов 3. В уголок 1 сверху запрессована втулка 4 с двумя направляющими сухарями 5, служащими для линейного направления по пазам 6 штока 7 при его вертикальном перемещении внутри втулки 4. В нижней части штока 7 закреплена пластина 8, предназначенная для крепления к ней снизу зажимного устройства 9 с пильчатой гарнитурой. В верхней части штока 7 установлен диск 10 со шпилькой 11 для установки груза 12. Зажимное устройство с пильчатой гарнитурой находится в контакте с войлочным кругом 13, который установлен І на приводной вал 14 машины трения.
1. Разработана и изготовлена конструкция импульсной магнитной установки, предназначенная для монтажа на автоматической линии для изготовления пильчатой ленты в течение 2-х смен. Напряженность магнитного поля для обработки ленты 500 кА/м. длительность импульса ОД с, количество импульсов во время прохождения ленты внутри катушки - 3.
2. Разработана и изготовлена конструкция магнитного индуктора. Проанализирована геометрия индуктора. Получены картины и распределение силовых характеристик магнитного поля в рабочем зазоре индуктора, а также распределение плотности энергии магнитного поля по профилю зуба пильчатой ленты.
3. Разработана и изготовлена экспериментальная установка для исследования пильчатой гарнитуры на износостойкость. Установка позволяет проводить исследования со всеми типами гарнитуры. Вместо хлопка здесь используется войлочный круг. ГЛАВА ТРЕТЬЯ. Исследование влияния режимов импульсной магнитной обработки на физико-механические свойства пильчатой гарнитуры
Для решения задач трения и износа рекомендуются методы математического моделирования и анализа экспериментов, изложенных в [104— 109]. В источнике [105] предлагается классификация методов планирования экспериментов с учетом цели исследования, метода «крутого выхождения, симплексного метода планирования эксперимента».
Для решения задачи по оценке влияния режимов импульсной магнитной обработки на износостойкость пильчатой ленты предложен следующий ряд последовательных этапов планирования эксперимента (рис.3.1).
Одним из важнейших этапов планирования эксперимента является выбор параметра оптимизации. В данном случае в качестве параметра оптимизации выбрана износостойкость зубьев пильчатой гарнитуры, так как она в значительной степени характеризует цель исследования - повышение работоспособности пильчатой гарнитуры.
Математическое описание процесса влияния режимов импульсной магнитной обработки моделью 1 -го порядка
Испытываемые образцы обрабатывались на специальной импульсной магнитной установке, конструкция которой позволяет варьировать время импульсов и напряженность магнитного поля, создаваемого соленоидом. Количественная оценка параметра оптимизации (износостойкости) производилась с помощью специальной экспериментальной установки [99]. Оценивалось изнашивание зубьев пильчатой гарнитуры в весовом выражении до установившегося времени приработки. На основе априорных данных [110-111] были выбраны основные уровни факторов Х\, Х2 (напряженности магнитного поля «Н» и времени обработки «t») и интервалы их варьирования. С целью построения стандартной матрицы эксперимента натуральные значения факторов переводились в кодовые безразмерные величины по формуле: JT, = -= , (3.1) ДА:, где Хг — кодовое значение /-го фактора; х, - натуральное текущее значение г-го фактора; xlQ - начальный (нулевой) уровень фактора; Лх, - интервал (полуинтервал) варьирования /-го фактора: 2 Значения натуральных уровней факторов и кодовых представлены в табл.3.1. 67. -Таблица 3.1. Уровпи факторов и интервалы их варьирования Уровни факторов и интервалы варьирования Режимы импульсной магнитной обработки Кодовыезначения Натуральные значения х, х2 Н, кА/м Г, сек Основной уровень Интервал варьирования Верхний уровень Нижний уровень 0 1+1 -І 01+1-1 150 100250 50 30 28 58 2
Для оценки влияния указанных факторов и математического описания использовалась модель 1 -ого порядка вида: у=Ь()+Ь]-Х1+Ь1-Хг+Ьп-Х1-Х2 (3.3) Для уменьшения систематических ошибок опыты по плану 2 проводили в случайном порядке. Для оценки ошибки эксперимента каждый опыт был поведен трижды. В таблицах 3.2. представлена матрица планирования, экспериментальные данные износа образцов и их расчетные значения. Примечание: чтобы вести поиск оптимальных решений по max функции в табл. приведена обратная величина параметра оптимизации
Полученное уравнение проверялось на адекватность. Для этого сначала оценивались отклонения предсказываемых расчетных значений параметра оптимизации у от экспериментальных у, для каждого осуществленного эксперимента, что позволило определить дисперсию адекватности по формуле: -=7 72 - =7(191,10-4) =6,574-10-4 4 л i=i 1 гдеД- число значимых коэффициентов уравнения; Я =3 Адекватность уравнения оценивалась с помощью F- критерия [113]: _№мо- 68 р s\y) 9,434-10"5 Так как Fp =6,968 Fma6ji-\ 1,26 [113], при уровне значимости 0,01 и степенях свободы /ад = N - Л = 4 - 3 = 1 и fE =N (/ -1) = 4- (3-1) - 8, то уравнение (3.9) является адекватным. Анализ экспериментальных данных производился на ЭВМ с помощью программной среды Mathcad 2001, Результаты анализа в приложении 1. Данная линейные модель (3.9) может быть проиллюстрирована плоскостью в 3- мерном пространстве (рис.3.3). Если провести плоскость, перпендикулярную оси , то в пересечении этой плоскости с поверхностью получается кривая (линия уровня), каждой точке которой соответствует одно и то же значение функции оклика. На рис.3.4 представлено изменение параметра износа в виде линий равного уровня.
Анализ полученных выражений (3.8, 3.9) и их графических интерпретаций позволил сделать следующие выводы: - существенное влияние на параметр износа оказывает величина напряженности магнитного поля, Износостойкость увеличивается с увеличением напряженности магнитного поля; - увеличение времени обработки оказывает обратное действие. С увеличением времени обработки износостойкость уменьшается. - взаимодействие факторов напряженности магнитного поля и времени обработки не существенно (коэффициент взаимодействия факторов меньше доверительного интервала).
Использование метода планирования эксперимента, основанного на локально-линейном приближении поверхности отклика с помощью планов первого порядка при небольшом количестве опытов, дало возможность выявить направление к области оптимума. Для исследования предполагаемой области оптимума было принято решение использовать полином 2-го порядка (рис.3.1). Для проведения эксперимента использовался симплексно-суммируемый план . Этот план был выбран из следующих соображений: а) при небольшом числе опытов можно получить математическую модель в виде полиномиального уравнения второго порядка; б) влияние одного из факторов можно исследовать на пяти уровнях, что особенно важно для случая, когда недостаточно данных о влиянии одного из факторов. Так как влияние времени обработки (t) оказалось менее изученным, чем влияние напряженности магнитного поля, то было решено исследовать влияние времени обработки (на пяти уровнях, напряженности магнитного поля — на трех. Для увеличения напряженности магнитного поля был доработан магнитный индуктор. Его обмотка была разбита на секции с целью увеличения возможности использовать различные варианты подключения.
Согласно плана эксперимента было проведено 7 опытов: 6 планов опыта осуществлялось в вершинах правильного шестиугольника и одна точка взята в центре (рис.3.5). Опыты проводились в случайном порядке. Каждый опыт проводился трижды. В табл.3.4. представлена матрица планирования эксперимента и значения параметра износостойкости как экспериментальные, так и расчетные.
Упрочнение резцов (пуансонов) и матриц фрезерного станка импульсной магнитной обработкой
Импульсная магнитная установка, состоящая из блока управления и электромагнитной катушки, была установлена на закалочную машину (рис,4,23), при этом пульт управления установлен на верх корпуса закалочной машины (рис.4.24); а электромагнитная катушка крепится к станине закалочной машины после закалочной ванны (рис.4.25 а). Пильчатая лента после прохождения закалочной ванны входит в отверстия электромагнитной катушки (рис.4.25 б) и затем выходит из него (рис.4,25 в) [128]. На модернизированной автоматической линии обрабатывалась пильчатая лента типов 38x0,8 и 46x0,9 при следующих режимах: напряженность магнитного поля 500 кА, количество импульсов - 3 , длина импульса ОД с. На рис. 4.26 показано изменение нагрузки на изгиб зубьев пильчатой ленты типа 38x0,8 и 46x0,9, обработанных импульсным магнитным полем на автоматической линии. Анализ рис. 4.26 показывает, что нагрузка на изгиб зубьев пильчатой ленты, обработанной импульсным магнитным полем увеличивается до 15%. На рис. 4.27 и 4.28 представлены фотографии структуры металла вершины зубьев пильчатой ленты типа 46x0,9, необработанной и обработанной импульсным магнитным полем на автоматической линии. Фотографии (ув. х 10000) снимались на расстоянии 0,1; 0,3 и 0,8 мм от вершины зуба. Анализ фотографий показывает, что структура металла, обработанного импульсным магнитным полем (рис.4.28) имеет более мелкую структуру, чем без магнитной обработки (рис.4.27). На рис. 4.29 и 4.30 показаны графики изменения износостойкости пильчатой ленты типов 38x0,8 и 46x0,9, обработанных импульсным магнитным полем на автоматической линии Анализ графиков показывает, что обработка импульсным магнитным полем пильчатой ленты непосредственно в процессе ее изготовления на автоматической линии повышает ее износостойкость примерно в 2 раза.
Проведение теоретических и экспериментальных исследований по решению проблемы повышения качества пильчатой гарнитуры позволили сделать следующие выводы: 1. Исследованы особенности изготовления пильчатой гарнитуры чесальных машин, выявлены основные факторы, снижающие эксплуатационные характеристики. Установлено, что одним из основных факторов, снижающих износостойкость гарнитуры, является низкое качество поверхностного слоя зубьев гарнитуры, а из факторов, снижающих проникающую способность гарнитуры — увеличенная площадка (а х Ь) вершины зуба. 2. Разработана конструкция и изготовлена импульсная магнитная установка для автоматической линии по изготовлению пильчатой ленты. Проведен анализ геометрии соленоидов для магнитных индукторов для локализации магнитного поля в вершинах зубьев пильчатой ленты. 3. Разработана технология упрочнения пильчатой ленты импульсной магнитной обработкой. Получена математическая модель, устанавливающая связь между оптимальными режимами обработки и износостойкостью гарнитуры. 4. Проведены лабораторные эксперименты по установлению влияния импульсной магнитной обработки на механические и эксплуатационные свойства гарнитуры. Установлено, что упрочнение магнитным полем повышает твердость поверхности зубьев, боковую нагрузку на изгиб зубьев, уменьшает зернистость структуры металла вершины зубьев, повышает износостойкость гарнитуры. 5. Проведены производственные испытания упрочнения импульсной магнитной обработкой пильчатой ленты, резцов для нарезания зубьев, прокатных роликов в условиях ЗАО «РЕМИЗ». Установлено, что
Установлено, что проникающая способность пильчатой гарнитуры зависит от качества изготовления резцов (пуансонов), матриц и прокатных роликов, а именно от величины площадки axb: чем меньше величина площадки, тем выше проникающая способность гарнитуры. 2. Выявлен механизм изнашивания пуансонов (резцов), матриц и прокатных роликов, обработанных и не обработанных импульсным магнитным полем. У необработанных магнитным полем резцов на верхней грани наблюдаются следы износа в виде углубления, а режущие кромки сильно изношены. У матриц и прокатных роликов, необработанных импульсным магнитным полем, рабочие части также сильно изношены. У обработанных импульсным магнитным полем резцов на их верхней части после износа углублений не наблюдается, а у матриц и прокатных роликов, упрочненных магнитным полем, рабочие поверхности менее изношены, чем у неопрочненных. 3. Разработаны режимы упрочнения пуансонов, матриц и прокатных роликов импульсной магнитной обработкой: напряженность 800 кЛ/м, количество импульсов 3, время между импульсами 1с, длина импульса ОД с. 4. Производственными испытаниями установлено, что импульсная магнитная обработка повышает износостойкость резцов в 2 раза, а прокатных роликов в 1,5 раза. 5. Производственными испытаниями установлено, что импульсная магнитная обработка цельнометаллической пильчатой ленты повышает боковую нагрузку на изгиб зубьев на 15-20% и уменьшает зернистость структуры вершины зуба. обработка магнитным полем увеличивает износостойкость гарнитуры в 1,5 раза, резцов в 2,0 раза, прокатных роликов в 1,5 раза. 6. Раскрыт механизм изнашивания резцов и прокатных роликов, упрочненных и неупрочненных импульсной магнитной обработкой.
