CC BY
33
УДК В.В. Максаров, Д.Ю. Тимофеев, А.Е. Ефимов
621.9.015
ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ ГИДРОЦИЛИНДРОВ ГОРНОГО ОБОРУДОВАНИЯ С ПРИМЕНЕНИЕМ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОГО ЛОКАЛЬНОГО ТЕРМИЧЕСКОГО ВОЗДЕЙСТВИЯ
В современном горном производстве наименее надежными оборудованием являются гидроцилиндры шахтных крепей. Установлено, что порядка 70% отказов происходят по причине выхода из строя уплотнительных колец из-за повреждений прецизионных поверхностей контактных пар вследствие абразивного и адгезионного износа. С целью соблюдения требований, предъявляемых к геометрическим и точностным параметрам, а также шероховатости прецизионных поверхностей, в технологическом процессе изготовления штоков, необходимо обеспечить динамическую устойчивость технологической системы. Одним из современных методов подавления возникающих автоколебаний в технологической системе, является создание предварительной локальной метастабильности методом термического воздействия в снимаемом припуске обрабатываемой заготовки. Создание предварительной метастабильности в поверхностном слое позволяет периодически изменять физико-механические свойства материала. При пересечении плоскости резания с зоной локальной термического воздействия в процессе обработки приводит к подавлению возникающего автоколебательного процесса. Ключевые слова: технологический процесс, локальное термическое воздействие, метастабильность, технологическая система, механическая обработка, автоколебательный процесс, шероховатость, точность изготовления.
На данный момент в современном горном машиностроении одной из актуальных задач, является повышение эффективности технологического процесса изготовления прецизионных поверхностей контактных пар гидроцилиндров шахт-
ISSN 0236-1493. Горный информационно-аналитический бюллетень. 2016. № 9. С. 65-73. © 2016. В.В. Максаров, Д.Ю. Тимофеев, А.Е. Ефимов.
ных крепей. Эта задача связана, прежде всего, с высокой вероятностью выхода из строя гидравлического агрегата шахтных крепей, вследствие нарушения герметизирующей способности уплотнительных колец (порядка 70%), в результате чего в контактную зону попадают микрочастиц пыли и породы, образуя на прецизионных поверхностях контактных пар абразивный и адгезионный износ [8].
Для того чтобы повысить эксплуатационные характеристики гидроцилиндров шахтных крепей, необходимо в технологическом процессе соблюдать предъявляемые требования по геометрическим параметрам качества и точности изготовляемых прецизионных поверхностей контактных пар. Так для детали «шток» качество шероховатости поверхности должна быть не менее Ra = 0,63 мкм, а для детали «цилиндр» не менее Ra = 0,32 мкм [6, 7].
С целью решения выше изложенной проблемы по изготовлению прецизионных поверхностей контактных пар гидроцилиндров, требуется осуществлять процесс лезвийной обработки в условиях динамической устойчивости технологической системы механической обработки (ТСМО) [3].
В технологическом процессе изготовления прецизионных поверхностей контактных пар гидроцилиндров, следует учитывать на всех этапах механической лезвийной обработки возникновение вредных вибраций, которые обусловливаются возмущающими силами, инерционными и упругодиссипативными свойствами ТСМО. Появление возмущающих сил в упругой системе приводит к изменению состояния деформированной зоны и к соответствующему изменению сил резания. Эти изменения не могут распространиться мгновенно на всю зону деформации, что приводит к запаздыванию в изменении сил резания. Наличие запаздывающих сил раскачивают упруго-замкнутую ТСМО, в результате чего лезвийная обработка сопровождается автоколебательным процессом [1, 2].
Следует отметить, что существенную роль на динамическую устойчивость ТСМО, как правило, отказывают упругопластиче-ские свойства срезаемого слоя металла, как в зоне пластической деформации, так и в зоне контактного взаимодействия сходящей стружки с передней поверхностью инструмента, которые существенно влияют на состояние замкнутой упругой системы и развитие автоколебательных процессов. В результате, потеря устойчивого процесса обработки и возникновение автоколебаний ведет к повышенной интенсивности износа пластины
режущего инструмента, вследствие чего понижается качество шероховатости поверхностного слоя заготовки и точности изготовления [1, 3].
Одним из известных методов подавления автоколебательного процесса при лезвийной обработки, является изменение условий деформации срезаемого слоя металла по средствам нагрева внешней поверхности материала пламенем газовой горелки [4, 5]. Сущность данного метода заключается в нагреве поверхностного слоя до температуры фазового перехода, после которой структура локальной зоны будет отличаться от основного металла иными физико-механическими свойствами. Создание метастабильной структуры в поверхностном слое, за счет пламени газовой горелки при лезвийной обработке приведет к изменению условий резания по сравнению с исходным материалом. Таким образом, данный метод изменяет квазиупругие и диссипативные свойства процесса стружкообразования, обеспечивая управление динамической стабильностью ТСМО [4].
Наряду с положительными свойствами, данный метод имеет следующий ряд недостатков: слабая точность получения необходимой глубины; невозможность измерения и регулирования температуры в процессе нагрева; возможность обработки только материалов, подверженных закаливанию. При соблюдении надлежащего режима работы метод должен быть использован в случае необходимости воздействия на крупногабаритные заготовки с большой глубиной припуска при черновой или получистовой механической лезвийной обработке.
Наиболее перспективный и современный способ, позволяющий изменить условия реологических параметров в процессе стружкообразования при лезвийной обработке с целью подавления автоколебательного процесса, является электроконтактный метод [1, 4].
Суть данного метода заключается в нагреве поверхностного слоя материала выше температуры критической точки фазового перехода Ас3 (рис. 1), создавая в ней локальную зону с неравновесной структурой. Слой а, нагретый выше критической точки Ас3 получит зону с локальной метастабильностью, а слой в, нагретый выше точки Ас1, но ниже точки Ас3, получит зону состоящую из отпуска. После нанесения локального термического воздействия произойдет перераспределение температуры внутрь основного материала заготовки в соответствии с линией 2 за счет теплопроводности. Глубина зоны с локальной мета-стабильностью, при достаточно интенсивном нагреве опреде-
Рис. 1. Изменение температуры при электроконтактном методе: 1 — в момент нагрева; 2 — через заданный промежуток времени после окончания обработки; 3 — температура критических точек
ляется распределением температур по сечению заготовки, что может быть регулируемо с разной степенью точности [5].
Создание зоны с неравновесной структурой при помощи электроконтактного метода осуществляется в области предполагаемого припуска срезаемого слоя материала на внешней поверхности заготовки по винтовой траектории, которая на этапе подготовки формируются подачей устройства для нанесения локального термического воздействия с помощью угольных контактных элементов (рис. 2).
Подвергая обрабатываемый материал локальному термическому воздействию, а затем, осуществляя срезание этого поверх-
Рис. 2. Устройство, осуществляющее процесс нанесения по винтовой линии предварительного локального термического воздействия с помощью угольных контактных элементов
Рис. 3. Структурные изменения в зоне локального термического воздействия в области снимаемого припуска (сталь 45 ГОСТ 1050-88)
а)
-оо
й. мхи
Экспв) и т Клнал 2 Игсчйгор 4В%
0 -в В 1О0.О ООО 4 В НЯО.О *. тс
........ •■т.-.. Ж, -
б) X,-
Эксплри»***!!- 5 кпнап 2 [> ТГ .11- ТО ■ '!'.
-го
-40
го в
-юа о 1, ж
гоогэоо.ь) 300(505."3> 400(701.3) «(Г.Гц)
Рис. 4. Виброперемещения для подсистемы инструмент в направлении X при обработке стали 45: без локального термического воздействия (а), предварительно подготовленной методом термического воздействия (б), на станке мод. 1К62
ностного слоя с измененными физико-механическими свойствами, необходимо обеспечить большую глубину резания, чем глубина самого воздействия. Несоблюдение этого условия приведет к двум нежелательным последствиям: во-первых, обработанная поверхность будет иметь локальные зоны с другими физико-механическими свойствами, нежели материал заготовки, что отрицательно скажется на эксплуатационных свойствах детали; во-вторых, при обработке резко снизится период стойкости резца, так как его вершина будет подвержена периодическим ударам.
Металлографические исследования показали, что в структуре поверхностного слоя произошли физко-механические изменения после нанесения предварительного локального термического воздействия электроконтактным методом на поверхность материала (рис. 3).
В. 25 11.50 1 "> 1 1.25
Кч' 1.11 "г 21.Se П* = 21.72 г; 5.36 В" 11 5щ= 150.11
16 -----
О.^ Й ГН в.75 1.ВО
к»- 2.21 я*- и.ьг и.- 1Е.Ю я,- г.та з- 21.£7 а.- 1№.1б
Рис. 5. Профилограммы обработанных поверхностей: после обработки обычной заготовки (а); после точения заготовки с предварительным локальным термическим воздействием: станк мод. 1К62, марка режущего материала Т15К6 (б)
В лабораторно-экспериментальном комплексе кафедры машиностроения проведен ряд экспериментальные исследования, которые позволили получить необходимые данные для обеспечения динамической устойчивостью процесса резания при локальном термическом воздействии на обрабатываемый материал (рис. 4).
Анализ шероховатости поверхности, полученный экспериментальным путем после обычной обработки (рис. 5, а) и при точении с локальным термическим воздействием (рис. 5, б) в параметрах системы, соответствующих режиму резания близкому к неустойчивому процессу.
Проанализировав виброперемещения в направлении X подсистемы инструмента на (рис. 4, б) можно сказать, что создание локальной метастабильности помогает достичь изменения в квазиупругих и диссипативных свойствах процесса струж-кообразования, подавляя при этом возникающие вибрации в процессе лезвийной обработки. В результате чего достигаются предъявляемые параметры к шероховатости поверхности на (рис. 5, б) и точности формы в технологическом процессе изготовления прецизионных поверхностей штоков гидроцилиндров шахтных крепей.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Вейц В. Л., Максаров В. В. Локализация и неустойчивость пластической деформации в процессе стружкообразования при резании металлов / Машиностроение и автоматизация производства: Межвузовский сборник. Вып. 13. - СПб.: СЗПИ, 1999. - С. 39-43.
2. Вейц В.Л., Максаров В. В. Повышение устойчивости технологической системы при управлении реологическими параметрами процесса стружкообразования / Машиностроение и автоматизация производства: Межвузовский сборник. Вып. 16. - СПб.: СЗПИ, 1999. - С. 19-29.
3. Вейц В.Л., Максаров В. В., Лонцих П. А. Динамика и моделирование процессов резания при механической обработке. - Иркутск: РИО ИГИУВа, 2000. - 189 с.
4. Ганзбург Л. Б., Максаров В. В., Тимофеев Д. Ю. Процесс точения при предварительном локальном воздействии на обрабатываемый материал / Машиностроение и автоматизация производства: Межвузовский сборник. Вып. 8. - СПб.: СЗПИ, 1998. - С. 87-94.
5. Гуляев А. П. Термическая обработка стали. - М.: Машгиз, 1960.
6. Жарков И. Г. Вибрации при обработке лезвийным инструментом. - Л.: Машиностроение, 1987. - 179 с.
7. Точность механической обработки и пути ее повышения / Под ред. А. П. Соколовского. - М.-Л.: Машгиз, 1951. - 560 с.
8. Программа ремонта шахтной крепи (полный ремонт в условиях цеха РГО шахты). - ОАО «Угольная компания «Шахта Красноармейская-Западная №1», 2005. - 12 с. итш
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ
Максаров Вячеслав Викторович1 — доктор технических наук, профессор, декан, зав. кафедрой, e-mail: maks78.54@mail.ru, Тимофеев Дмитрий Юрьевич1 — кандидат технических наук, доцент, e-mail: duck-tim63@yandex.ru, Ефимов Александр Евгеньевич1 — аспирант, e-mail: efim-666@bk.ru,
1 Национальный минерально-сырьевой университет «Горный».
Gornyy informatsionno-analiticheskiy byulleten'. 2016. No. 9, pp. 65-73. V.V. Maksarov, D.Yu. Timofeev, A.E. Efimov INCREASE OF EFFICIENCY TECHNOLOGICAL PROCESS OF MANUFACTURING IN THE MOUNTAIN EQUIPMENT HYDRAULIC CYLINDERS USING A PRELIMINARY LOCAL THERMAL INFLUENCE
In the modern mining industry least reliable equipment hydraulic is cylinders shaft lining. It is established that about 70% of failures happen for a reason of a failure of seal rings due to damage precision surfaces of contact pairs due abrasive and adhesive wear. To improve the the longevity and reliability of the hydraulic cylinders at high dynamic load, require high accuracy manufacturing of of contact pairs: the quality of the surface roughness for detail «stock» must be at least Ra = 0,63 microns, and for details of the «cylinder» of not less than Ra = 0,32 microns. In order to meet the requirements for geometric parameters precision, as well as high-precision surface roughness, in the process of manufacture of stocks, it is necessary to provide dynamic stability of the technological system.
One of the modern methods of suppression autooscillations arising in the technological system is the creation of the provisional local metastability a method of thermal influence in the machining allowance of the workpiece. Creating the provisional metastability of the surface layer allows to periodically change the physicomechanical properties of the material. At the intersection of the cutting plane with the a zone local thermal influence during processing leads to the suppression of self-oscillation occurring.
Key words: technological process, local thermal influence, metastable, technological system, machining, auto-oscillatory process, roughness, precision manufacturing.
AUTHORS
Maksarov V.V}, Doctor of Technical Sciences, Professor, Dean, Head of Chair, e-mail: maks78.54@mail.ru, Timofeev D.Yu.1, Candidate of Technical Sciences, Assistant Professor, e-mail: duck-tim63@yandex.ru,
Efimov A.E.1, Graduate Student, e-mail: efim-666@bk.ru, 1 National Mineral Resource University «University of Mines», 199106, Saint-Petersburg, Russia.
UDC 621.9.015
REFERENCES
1. Veyts V. L., Maksarov V. V. Mashinostroenie i avtomatizatsiyaproizvodstva: Mezhvu-zovskiy sbornik. Vyp. 13 (Mechanical engineering and automation: Interuniversity collection, issue 13), Saint-Petersburg, SZPI, 1999, pp. 39-43.
2. Veyts V. L., Maksarov V. V. Mashinostroenie i avtomatizatsiya proizvodstva: Mezhvu-zovskiy sbornik. Vyp. 16 (Mechanical engineering and automation: Interuniversity collection, issue 16), Saint-Petersburg, SZPI, 1999, pp. 19-29.
3. \feyts V. L., Maksarov V. V., Lontsikh P. A. Dinamika i modelirovanieprotsessov reza-niya pri mekhanicheskoy obrabotke (Dynamics and modeling of processes cutting during machining), Irkutsk, RIO IGIUVa, 2000, 189 p.
4. Ganzburg L. B., Maksarov V. V., Timofeev D. Yu. Mashinostroenie i avtomatizatsiya proizvodstva: Mezhvuzovskiy sbornik. Vyp. 8 (Mechanical engineering and automation: Interuniversity collection, issue 8), Saint-Petersburg, SZPI, 1998, pp. 87-94.
5. Gulyaev A. P. Termicheskaya obrabotka stali (Heat treatment of steel), Moscow, Mashgiz, 1960.
6. Zharkov I. G. Vibratsiipri obrabotke lezviynym instrumentom (Vibrations during processing cutting tools), Leningrad, Mashinostroenie, 1987, 179 p.
7. Tochnost' mekhanicheskoy obrabotki i puti ee povysheniya. Pod red. A. P. Sokolovs-kogo (Precision machining and ways of its improvement. Sokolovskiy A. P. (Ed.)), Moscow— Leningrad, Mashgiz, 1951, 560 p.
8. Programma remonta shakhtnoy krepi (polnyy remont v usloviyakh tsekha RGOshakhty (Repair program shaft lining (complete repairs in a workshop), OAO «Ugol'naya kom-paniya «Shakhta Krasnoarmeyskaya-Zapadnaya no 1», 2005, 12 p.
I НОВИНКИ ИЗДАТЕЛЬСТВА «ГОРНАЯ КНИГА»
Буровой станок НКР-100М. Практикум
Кантович Л.И., Наумкин В.М., Разумов М.В., Гребенников В.Н. Год: 2016, 2-е издание Страниц: 83
ISBN: 978-5-98672-191-0
UDK: 622.232.7; 622:658.512.22.011.56
Пособие содержит два раздела: лабораторные работы и практические занятия. В первом разделе приведены описания бурового станка НКР-100М, принципа его действия и конструкции основных узлов, а также правила техники безопасности и другие вопросы. Во втором разделе изложена методика расчета теоретической, технической и эксплуатационной производительности бурового станка НКР-100М а также приведены идентификаторы, алгоритм и пример расчета производительности бурового станка на ЭВМ. Даны индивидуальные варианты заданий по каждой работе. В приложении представлены примеры расчетов режимных параметров и производительности бурового станка, а также графические зависимости параметров бурового станка от глубины скважины. Для студентов вузов, обучающихся по специальности «Взрывное дело» направления подготовки «Горное дело» и по специальности «Горные машины и оборудование» направления подготовки «Технологические машины и оборудование».
