CC BY
29
УДК 621.818
УНИВЕРСАЛЬНАЯ МНОГОДИСКОВАЯ ГОЛОВКА ДЛЯ ФИНИШНОЙ ОБРАБОТКИ ПЛОСКИХ УПЛОТНИТЕЛЬНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ЭЛЕМЕНТОВ ТРУБОПРОВОДНОЙ АРМАТУРЫ
С.Н. Гайсин1, В.А. Балакирев2, Л.Б. Цвик3, С.А. Безносов4
Национальный исследовательский Иркутский государственный технический университет, 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83. 2,4Филиал ОАО «ИркутскНИИхиммаш», г. Ангарск, Промышленный район.
3Иркутский государственный университет путей сообщения, 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15.
С использованием деталей-свидетелей «седло» исследовано технологическое воздействие лезвийной (токарной) обработки по формированию уплотнительных поверхностей элементов трубопроводной арматуры. Разработана кинематическая схема сложного кругового плоскопараллельного и осциллирующего движения. На базе кинематической схемы спроектирован и изготовлен специализированный шлифовальный инструмент, выполнено описание процесса микрорезания. Проведены эксперименты по отработке технологий шлифования по формированию уплотнительных поверхностей с применением универсальной многодисковой инструментальной головки. Ил. 9. Табл. 4. Библиогр. 3 назв.
Ключевые слова: трубопроводная арматура; уплотнительные поверхности; ремонт.
UNIVERSAL MULTI-DISC HEAD FOR FINISHING FLAT SEALING SURFACES OF PIPELINE VALVE ELEMENTS S.N. Gaisin, V.A. Balakirev, L.B. Tsvik, S.A. Beznosov
National Research Irkutsk State Technical University,
83, Lermontov St., Irkutsk, 664074.
Branch of "IrkutskNIIhimmash" pic,
Industrial area, Angarsk.
Irkutsk State University of Railway Engineering,
15, Chernyshevsky St., Irkutsk, 664074.
The technological impact of edge cutting (turning) machining on shaping the sealing surfaces of pipeline valve elements is studied with the use of "saddle" parts-witnesses. A kinematic scheme of a complex circular plane-parallel and oscillatory motion is developed. A specialized grinding tool is designed and made on the basis of the kinematic scheme; the process of microcutting is described. The experiments were conducted in order to adjust the grinding technology for shaping sealing surfaces with the application of a universal multi-disc tool head. 9 figures. 4 tables. 3 sources. Key words: pipeline valves; sealing surfaces; repair.
Технологические операции восстановления уплотнительных поверхностей (УП) деталей затворных узлов трубопроводной арматуры (ТА) осуществляются, как правило, поэтапно. Формирование плоскостности при восстановлении УП включает в себя лезвийную обработку, шлифование и доводку. В данной работе рассматривается разработка и экспериментальная проверка одного из вариантов оснастки для осуществления финишных операций, имеющей единую универсальную кинематическую схему.
Затворный узел [1] содержит, как правило, подвижные (золотник) и неподвижные (седло) элементы
арматуры (рис. 1).
При ремонте трубопроводной арматуры необходимо выдерживать функциональные метрические параметры, объединяющие в совокупность пять групп отклонений:
До - отклонения линейных и угловых размеров;
А-, - отклонения взаимного расположения поверхностей, осей и центров (характеризуют свободное перемещение подвижных деталей затворного узла ТА);
А2 - отклонения геометрической формы деталей и поверхностей;
1 Гайсин Сергей Николаевич, зав. лабораториями кафедры технологии машиностроения, тел.: 89646552128, е-mail: [email protected]
Gaisin Sergey, Head of laboratories of the Department of Technology of Mechanical Engineering, tel.: 89646552128, e-mail: [email protected]
2Балакирев Василий Альбертович, зав. лабораторией герметичности
Balakirev Vasily, Head of the Laboratory of Hermeticity.
3Цвик Лев Беркович, доктор технических наук, профессор.
Zwick Lev, Doctor of technical sciences, Professor.
4Безносов Сергей Александрович, токарь.
Beznosov Sergey, Turner.
Д3 - волнистость; Д4 - шероховатость [2].
Указанные выше отклонения в технологических процессах ремонта УП ТА формируются последовательно. Комплексное обеспечение точности по всей совокупности метрических параметров (До, Д1, Д2, Д3, Д4) позволяет получить герметичное соединение затворного узла в соответствии с требованиями ГОСТ 9544-2005 [3]. При проведении экспериментальной оценки работоспособности рассматриваемой оснастки ставилась задача исследовать технологическое воздействие шлифованием на формирование плоскостности УП, обеспечиваемой уменьшением отклонений волнистости (Д3) и улучшением показателя шероховатости (Д4). Эксперименты проводились на деталях-свидетелях, имитирующих «седло» клапана низкого давления (рис. 2). Детали изготовлялись из стали 20x13 (ГОСТ 5632), твердость поверхностного слоя УП деталей - 169-184 НВ.
С целью получения более достоверных показателей по исследованиям при проведении экспериментов было задействовано семь опытных образцов деталей. Образцы изготовлялись на токарно-винторез-ном станке, окончательная обработка торцовых поверхностей была выполнена при режимах резания: - частота вращения 610 об./мин;
- подача 0,027 мм/об. В качестве инструмента использовали подрезной резец с режущей пластиной из сплава ВК8.
У обработанных УП деталей были замерены шероховатость и отклонения от плоскостности. Измерение шероховатости проводили тремя параллельными замерами на профилометре-профилографе модели 252. Волнистость по окружности УП измеряли контрольно-измерительной машиной модели ACCU-RA_MASS методом автоматического сканирования в 360-ти равномерно расположенных точках, т.е. через 10 (точность измерения ± 2,2 мкм).
Полученные результаты максимальных отклонений от плоскостности и средних значений микронеровностей после токарной обработки (изготовления) сведены в табл. 1 и графически представлены на рис. 3, на рис. 4 - объёмное изображение сканированной уплотнительной поверхности детали № 1, имеющей максимальное отклонение от плоскостности 16 мкм, с отметкой на координатной сетке точек «минимум» и «максимум». Шероховатость УП после токарной обработки варьировалась в пределах от 1,5 до 6,4 мкм, т.е. разница между минимумом и максимум по параметру Ra (ГОСТ 2789) была более чем 4-х кратная, а отклонения от плоскостности варьировались от 15-ти до 32-х мкм, т.е. разница 2-х кратная.
Представленные результаты показывают (рис. 3), что с улучшением показателя плоскостности улучшается и показатель шероховатости. Исключением является лишь деталь №6, для которой такая взаимосвязь не наблюдается. Указанное обстоятельство может объясняться статистическим разбросом измеренных экспериментальных значений неплоскостности УП, а также разбросом соответствующих средних показателей шероховатости, установленных для каждой исследованной УП экспериментально.
Изучая комплексное технологическое воздействие, имеющее целью добиться повторяемости технологических явлений, еще раз обработали УП опытных деталей на токарно-винторезном станке при следующих режимах резания:
частота вращения 610 об./мин; подача 0,027 мм/об.
Использованный в процессе эксперимента режущий инструмент имел следующие характеристики: резец, режущая пластина из сплава Т5К10; Р - радиус при вершине режущей пластины: Р = 1мм.
Результаты обработки УП по параметрам шероховатости и волнистости УП сведены в табл. 2.
После вторичной токарной обработки УП показатель отклонений от плоскостности варьировался в пределах от 12 до 19 мкм (разница отклонений по деталям 1,58 раза). Шероховатость варьировалась от 1,5 до 2,3 мкм, т.е. разница по показателям шероховатости (Ра) между минимумом и максимумом была в
Таблица 2
Значение шероховатости и отклонения от плоскостности уплотнительных поверхностей
Номер детали
1 2 3 4 5 6 7
Максимальные отклонения от плоскостности, мкм
16 14 16 15 12 14 19
Шероховатость (среднее значение) уплотнительной поверхности, Ра мкм
2,3 1,6 2,0 1,5 1,6 2,1 2,0
1,53 раза.
Как в первом (рис. 3), так и втором случае (рис. 5) наблюдается взаимосвязь шероховатости и волнистости, которая выражается в том, что с уменьшением отклонений от плоскостности улучшается и показатель шероховатости, исключением являются детали №5 и №7. Сравнивая (рис. 3 и 4) показатели плоскостности и шероховатости, видим, что указанные параметры улучшились. Лучший показатель качества плоскостности и шероховатости УП опытных деталей после второй лезвийной обработки объясняется применением режущей пластины из сплава Т5К10, применяемой, как правило, для получистовой и чистовой обработки.
Во второй части экспериментов проводились исследования по отработке технологий шлифования с целью изучения показателя плоскостности и шероховатости при формировании УП. Эксперимент проводился с использованием спроектированной и изготовленной специализированной шлифовальной головки, осуществляющей процесс микрорезания круговым, плоскопараллельным и осциллирующим движением.
Принцип работы предложенной технологической оснастки (головки) поясняет кинематическая схема, представленная на рис. 6 и 7. В соответствии с ней процесс микрорезания осуществляется главным движением (вращением п) и подачей (осевым усилием Р, прижимающим рабочую плоскость шлифовальной
головки к обрабатываемой УП). Микрорезание производится при этом вращением шлифовальных дисков (которых может быть 3-6 штук) вокруг своей оси в противоположную сторону относительно главного движения за счет крутящего момента и сил трения (сцепления) с обрабатываемой поверхностью. Осциллирующее движение создается внесенным эксцентриситетом между положением геометрического центра шлифовальной головки и центром отверстия ступицы её диска. Отверстие ступицы основного диска головки монтируется при этом на вал привода, приводящего этот диск во вращение.
Финишная обработка УП может осуществляться технологическими операциями шлифования и притирки (доводки). В первом случае на диски головки наклеивается шлифовальная шкурка, во втором случае доводка производится чугунными дисками, на которые нанесен свободный абразив (паста) на связующей основе.
Процесс микрорезания будет осуществляться только при касании инструмента и имеющихся на пути её движения неровностей (отклонений обрабатываемой УП от плоскостности) (рис. 7). В тот момент, когда уменьшение неплоскостности УП обеспечит равномерное вращение всех рабочих дисков шлифовальной головки, процесс шлифования или доводки УП может считаться законченным.
При проектировании рассматриваемой оснастки в её основу было положено предположение, что под действием сил трения, возникающих при главном движении основного диска головки, рабочие диски, расположенные на основном, будут вращаться (осуществлять вторичное движение - вращение рабочего диска или другого дискового инструмента), реализуя тем самым собственно процесс микрорезания. Существенно, что направление вращения рабочих дисков, несущих режущие поверхности, будет противоположно направлению вращения основного диска. Связано это со следующим. Рассмотрим две диаметрально противоположные точки шлифовального (притирочного) диска, лежащие на некотором радиусе главного вращения основного диска головки (рис. 6). Радиусы вращения (точнее - главного вращения) этих точек рабочего диска, несущего режущие поверхности, различны. Указанное обстоятельство создаёт в процессе главного вращения для диаметрально противоположных точек рабочего диска определённую разность хода. Эта разность возникает за счёт различия расстояний указанных точек рабочих дисков, несущих режущие поверхности, от центра вращения основного диска головки, вокруг которого этот диск вращается.
Образно говоря, в рассматриваемом случае шлифовальная головка представляет собой двухэтажную
карусель (рис. 7) - основного диска (второй этаж), вращающегося вместе с валом привода головки, и первого «этажа», на котором находятся ещё несколько «каруселей» - рабочих дисков головки, вращающихся в направлении, противоположном направлению главного вращения (вращения «второго этажа»).
Экспериментальная проверка, в том числе с помощью съёмки предложенного процесса микрорезания цифровой кинокамерой при обработке УП образцов-свидетелей, данное предположение подтвердила.
Предложенная кинематическая схема была реализована изготовлением 5-ти дисковой опытно-промышленной шлифовальной головки (рис. 8). Экспериментальная апробация разработанной конструкции инструмента показала увеличение производительности процесса шлифования не менее чем в два-три раза. Разработанный конструктивный вариант шлифовальной головки может использоваться как в стационарной установке по ремонту УП, так и в мобильном оборудовании аналогичного назначения. В качестве стационарного оборудования можно использовать вертикально-сверлильный станок, а в качестве мобильного оборудования электро- или пневмопривод, например, электродрель соответствующей мощности.
Технологические испытания шлифовальной го-
ловки были проведены с использованием вертикально-сверлильного станка модели 2А125. Детали были прошлифованы три раза, в качестве инструмента использовали шлифовальные шкурки:
Рис. 8. Шлифовальная головка: п - главное движение; Р - усилие (подача)
1. АС 100 XW Р180.
2. Л251СМ40 ГОСТ 10054.
3. Абразивный инструмент фирмы БРСО (Германия) на основе оксида алюминия (А12О3) (корунд) зернистостью 30ц.
Каждая деталь-свидетель обрабатывалась новым комплектом инструмента (шлифовальной шкуркой). При первых двух экспериментах базирование деталей осуществлялось в 4-х кулачковом патроне по 076к6 (рис. 2), патрон в свою очередь располагался на рабочем столе станка. При третьем эксперименте базирование осуществлялось в 3-х кулачковом патроне по 076к6 с использованием разжимной оправки. В процессе эксперимента (с учётом имеющегося опыта проведения подобных работ с разрабатываемой конструкцией) были опробованы следующие режимы обработки:
- частота вращения шпинделя - 96,5 об./мин (минимальная для данного оборудования);
- необходимое осевое усилие контролируется рабочим-оператором, обеспечивающим процесс микрорезания, максимальное значение осевого усилия определяется при этом из условия сохранности работоспособности режущей поверхности используемой абразивной шкурки;
- время обработки, 50 с.
Проведенные испытания показали, что изготовленная опытная конструкция головки выполняет своё функциональное назначение, т.е. осуществляет с помощью сложного кругового плоскопараллельного и осциллирующего движения необходимое качество восстановления УП ТА. На рис. 9 показана фотография шлифовальной головки после обработки опытной детали. На дисках (шлифовальной шкурке) видны круговые «следы» продуктов обработки разной «насыщенности» (плотности). Данный признак свидетель-
ствует о том, что диски непосредственно производили процесс микрорезания (вращения). Разная плотность и прерывистый контур «следа» обработки позволяют сделать предположение, что диски имеют отклонение от номинальной горизонтальной базовой плоскости, близкое к критическому, то есть отклонение, близкое к такой величине, при которой процесс восстановления УП начинает протекать неустойчиво из-за неплотного прилегания рабочих дисков к обрабатываемой поверхности.
Рис. 9. Шлифовальная головка с наклеенным на шлифовальные диски инструментом (шлифовальной шкуркой)
После шлифования УП деталей были проконтролированы на отклонения от плоскостности (волнистости), кроме того, был измерен показатель шероховатости. Характеристика шероховатости измерялась профилометром «Биг^огнк» (Англия) замерами на трёх радиально ориентированных отрезках прямых линий, отстоящих друг от друга в угловом направлении на 120°. Отклонения от плоскостности после шлифования сведены в табл. 3, а средние значения шероховатости сведены в табл. 4.
Как видно из табл. 3, после шлифования УП деталей абразивной шкуркой АС 100 ХW Р180 отклонения от плоскостности у деталей №4-6 увеличились. Шлифование УП деталей абразивной шкуркой Л251СМ40 ГОСТ 10054-82 показало, что отклонения от плоскостности уменьшились у детали №5 на 11 мкм и увеличились на 1 мкм у детали №6, у детали №7 остались без изменения, т.е. в данном случае имеем более ровный результат. Указанные результаты свидетельствуют о некотором несовершенстве опробованной технологии, связанном, по-видимому, с недопустимо большим деформированием обрабатываемой детали при её закреплении в 4-х кулачковом патроне. Шлифование УП деталей абразивной шкуркой (БРСО) с применением разжимной оправки и 3-х кулачкового патрона показало стабильное уменьшение отклонений от плоскостности, исключением является УП детали №2, где численный показатель неплоскостности остался без изменения.
Таблица 3
Номер детали
1 2 3 4 5 6 7
Максимальные отклонения от плоскостности УП деталей-свидетелей перед шлифованием, мкм
9 6 12 4 10 4 7
Максимальные отклонения от плоскостности УП деталей-свидетелей после шлифования абразивной шкуркой
АС100ШР180, мкм
8 5 8 10 18 7 6
Максимальные отклонения от плоскостности УП деталей-свидетелей после шлифования абразивной шкуркой
Л251СМ40 ГОСТ 10054-82, мкм
8 5 8 8 7 8 6
Максимальные отклонения от плоскостности УП деталей-свидетелей после шлифования абразивной шкуркой
(ЕРСО), мкм
6 5 6 6 5 4 4
Таблица 4
Средний показатель шероховатости после испытания шлифовальной головки
Номер детали
1 2 3 4 5 6 7
Средний показатель шероховатости (Ра, мкм) УП деталей-свидетелей после шлифования абразивной
шкуркой АС 100 Х\Л/ Р180
0,66 0,69 0,97 0,73 0,77 0,71 0,78
Средний показатель шероховатости (Ра, мкм) УП деталей-свидетелей после шлифования абразивной
шкуркой Л251СМ40 ГОСТ 10054-82
0,08 0,09 0,09 0,11 0,08 0,08 0,08
Средний показатель шероховатости (Ра, мкм) УП деталей-свидетелей после шлифования абразивной
шкуркой (ЕРСО)
0,13 0,13 0,13 0,16 0,15 0,15 0,19
Полученные показатели средних значений шероховатости (Ра, мкм) УП опытных деталей, обработанных дополнительно с помощью абразивной шкурки, представлены в табл. 4. Они говорят о большей стабильности формирования параметра микрогеометрии с использованием опытно-промышленной шлифовальной головки и, соответственно, меньшим разбросом значений величины шероховатости. Количественные характеристики качества шлифования описываются при этом следующими значениями. Шлифование абразивной шкуркой АС 100 ХW Р180 обеспечивает показатель шероховатости от 0,66 до 0,97 мкм. Шлифования абразивной шкуркой Л251СМ40 ГОСТ 10054 - от 0,08 до 0,11 мкм, а использование абразивной шкурки на основе оксида алюминия (корунд) с зернистостью 30ц - от 0,13 до 0,16 мкм. Таким образом, при использовании данной технологии из рассмотренных абразивных шкурок более высокое качество обеспе-
чивает шкурка Л251СМ40 ГОСТ 10054.
Установлено, что значения шероховатости УП при восстановительном ремонте в процессе токарной обработки определяются величиной исходной неплоскостности УП. Таким образом, в процессе восстановительного ремонта УП при чистовой обработке на токарном станке для обеспечения более высокого качества УП необходимо предварительно добиться максимального уменьшения её неплоскостности.
Испытания разработанной шлифовальной головки показали практическую реализуемость разработанной кинематики сложного кругового плоскопараллельного и осциллирующего движения, обеспечивающего повышение качества восстановительного ремонта УП ТА. При этом обработка УП с помощью предложенной головки может осуществляться в качестве дополнительной технологической операции после предварительной обработки УП на токарном станке.
Библиографический список
1. ГОСТ 5270-2007 Арматура трубопроводная. Термины и М.: Инструмент, 2003. 144 с определения.
2. Сейнов С.В., Сейнов Ю.С. Задвижки клиновые. Использование. Техническое обслуживание. Ремонт: справ. пособие.
3. ГОСТ 9544-2005 Арматура трубопроводная запорная. Классы и нормы герметичности затворов.
