Na riešenie problémov spojených so slabou tuhosťou tenkostenného bubna pračky rudy--, konkrétne jeho náchylnosti na deformáciu a chvenie počas upínania a obrábania, čo znižuje kvalitu povrchu,- bola použitá analýza konečných prvkov na optimalizáciu návrhu racionálneho, nákladovo{3}}efektívneho a efektívneho podporného prípravku. Táto iniciatíva zlepšila výrobný proces pre tenkostenný bubon-, zvýšila efektivitu obrábania a efektívne znížila výrobné náklady.
01
Úvod
Premývačka rudy je dôležitým zariadením pri spracovaní nerastov, ktoré sa zvyčajne používa počas prípravnej fázy-pred drvením, magnetickou separáciou a flotáciou-na umývanie ílových hrudiek alebo štrku z rudy. Umývačka rudy s rozmermi 2,1 m × 4,5 m uvedená v tomto projekte bola navrhnutá a vyrobená na zákazku- pre zahraničného klienta. Jeho štruktúra pozostáva z niekoľkých kľúčových komponentov, vrátane podávacej časti, bubnovej časti, hnacej zostavy, zostavy podporného valca, zostavy prítlačného valca a skrine prevodovky; samotný bubon je hlavnou súčasťou stroja. Primárnou konštrukčnou charakteristikou tohto bubna je jeho tenká stena-s hrúbkou iba 12 mm{10}}, ktorá ho klasifikuje ako tenkostenný bubon s nízkou{12}}tuhosťou v porovnaní so štandardnými komponentmi bubnového{13}}typu. Hlavnou výzvou pri obrábaní bubnov s nízkou{15}}tuhosťou je ich nedostatočná tuhosť, takže kontrola deformácie je kritická [1, 2]. Počas upínania a obrábania je bubon náchylný na chvenie, ktoré môže viesť k rozmerovým a geometrickým odchýlkam tolerancie [3] a zhoršiť kvalitu povrchu. Okrem toho existuje nesúlad medzi stavom bubna počas obrábania a jeho stavom počas skutočnej prevádzky: zatiaľ čo upínanie zahŕňa zaistenie koncov, bubon je počas prevádzky podopretý dvoma jazdnými krúžkami (pneumatikami).
Konvenčné riešenia na obrábanie bubnov s nízkou{0}}tuhosťou sa zameriavajú na zvýšenie tuhosti, aby sa minimalizovala deformácia spôsobená upínacími silami stroja a reznými silami. Naša spoločnosť už v roku 1995 vyrábala pračku rudy s podobnou štruktúrou; v dôsledku technologických obmedzení tej doby sa však analýza tuhosti tenkostenného bubna vo veľkej miere opierala o minulé skúsenosti a obmedzovala sa na kvalitatívne hodnotenie. Plán procesu v tom čase zahŕňal navrhnutie podporného prípravku na zosilnenie tuhosti bubna; tento prípravok využíval štruktúru podobnú svorke{5}} upevnenú po vonkajšom obvode na oboch koncoch bubna, doplnenú o axiálne podpery umiestnené proti vnútornej stene. Pomocou tohto nástroja sa zvýšila tuhosť valca, čo umožnilo úspešné dokončenie procesu obrábania a výroby. Nástroje však vážili 2 035 kg-takmer toľko ako samotný valec na umývanie rudy (2813 kg)-, čo malo za následok nízku ekonomickú efektivitu.
02
Štruktúra tenkostenného-valca na premývanie rudy
Valec je kľúčovým komponentom zostavy premývačky rudy s integrálnou zváranou konštrukciou, kde je stena valca privarená ku koncovým uzáverom. Vnútorné rebrové štruktúry sa medzi týmito dvoma koncami líšia: prívodný koniec má väčší otvor, väčší počet rebier a relatívne zložitú štruktúru; výstupný koniec má menší otvor, menej rebier a jednoduchšiu štruktúru. Stena valca je vyrobená z ocele Q345B s hrúbkou 12 mm, maximálnym vonkajším priemerom 2 124 mm, dĺžkou 4 819 mm a vnútorným priemerom 2 100 mm; váži 2 813 kg. Medzi oblasti vyžadujúce opracovanie patria dva vonkajšie valcové povrchy (vonkajší priemer 1 a vonkajší priemer 2), ktoré sú v styku s vodiacimi krúžkami, ako aj čelo príruby na podávacom konci (pozri obrázok 1). Pre vonkajšie priemery 1 a 2 je rozmer Φ2,124 mm, s kolmosťou na čelnú plochu 0,025 mm, koaxiálnosťou Φ0,15 mm a drsnosťou povrchu Ra=3.2 μm.
Obrázok 1: 3D model valca
03
Optimalizácia schémy podporných nástrojov pre tenkostenný{0}}valec na rudy
3.1 Technický prístup k schéme nástrojov valcov
Softvér Autodesk Inventor sa použil na vykonanie analýzy konečných prvkov (FEA) na valci, aby sa komplexne vyhodnotila jeho tuhosť. Simulácie deformácie sa vykonali pre stav vlastnej hmotnosti valca- aj pre stav, v ktorom je upnutý na obrábacom stroji. Na základe výsledkov deformačnej analýzy sa navrhol plán výrobného procesu, optimalizovala sa štruktúra nástrojov a vyvinula sa nová konštrukcia nástrojov na podporu valcov.
3.2 Modelovanie valca pomocou konečných prvkov
3D model bol skonštruovaný pomocou prístupu „zvnútra- von“ na základe konštrukčnej konfigurácie valca. Počas modelovania sa štruktúra valca zjednodušila a urobili sa tieto predpoklady:
1) Podperné komponenty na oboch koncoch valca majú dostatočnú tuhosť.
2) Chyby ako neúplné roztavenie alebo praskliny vo zvaroch valca sa neberú do úvahy. 3) Zmeny vlastností materiálu vo zvaroch valca sa neberú do úvahy; predpokladá sa, že materiál zvaru je zhodný so základným materiálom [4, 5].
3.3 Výpočet zaťaženia a nastavenie okrajových podmienok
Počas výpočtového procesu sa vonkajšie zaťaženie pôsobiace na valec skladajú predovšetkým z dvoch zložiek: z konštrukčnej hmotnosti samotného valca a z upínacej sily vyvíjanej stredom obrábacieho stroja. Na základe parametrov komponentov a špecifikácií obrábacieho stroja-a po prečítaní si príručky obrábacieho stroja-bola upínacia sila stredu určená na 20 kN.
Na základe výrobných skúseností s valcovými komponentmi je hĺbka rezu počas obrábania minimálna a vplyv rezných síl je zanedbateľný; preto sa vplyv rezných síl na deformáciu valca neanalyzuje. Na základe tejto komplexnej analýzy sú okrajové podmienky a nastavenia zaťaženia pre valec stanovené nasledovne:
(1) Zaťaženia valca: Uvažujú sa dva prípady zaťaženia. Po prvé, v statickom stave sa berie do úvahy iba vlastná hmotnosť valca. Po druhé, v zovretom stave stroja- sa berie do úvahy upínacia sila zo stredu obrábacieho stroja a upínacia sila z čeľustí skľučovadla; všetky ostatné zaťaženia sa neberú do úvahy.
(2) Okrajové podmienky: V statickom stave je vertikálny posun na oboch koncoch valca obmedzený, zatiaľ čo axiálny posun je ponechaný voľný na výpočet vlastnej-deformácie valca. V zovretom stave stroja- sú axiálne a radiálne posuny obmedzené na jednom konci, zatiaľ čo vertikálne posunutie je obmedzené a radiálny pohyb je ponechaný voľný na druhom konci, čím sa simulujú podmienky zaťaženia pri upnutí v obrábacom stroji.
3.4 Analýza konečných prvkov deformácie valca
(1) Deformácia v statickom stave: Na valec sa aplikuje gravitácia a na výpočet deformácie pozdĺž osí X, Y a Z sa použije analýza konečných prvkov; podrobnosti sú znázornené na obrázkoch 2 až 4.
Obrázok
Obrázok 2 Deformácia valca pozdĺž osi X- v statickom stave
Obrázok
Obrázok 3 Deformácia valca pozdĺž osi Y- v statickom stave
Obrázok
Obrázok 4 Deformácia valca pozdĺž osi Z- v statickom stave
(2) Deformácia v stroji-Zovretý stav: Na valec pôsobí axiálne a radiálne zaťaženie a na výpočet deformácie pozdĺž osí X, Y a Z pri upnutí v obrábacom stroji sa používa analýza konečných prvkov; detaily sú znázornené na obrázkoch 5 až 7. Obr
Obrázok 5: Deformácia valca pozdĺž osi X- pri upnutí
Obrázok
Obrázok 6: Deformácia valca pozdĺž osi Y- pri upnutí
Obrázok
Obrázok 7: Deformácia valca pozdĺž osi Z- pri upnutí
Výsledky analýzy konečných prvkov pre model valca-v jeho statickom stave aj počas upnutého stavu obrábania-sú uvedené v tabuľke 1.
Tabuľka 1: Výsledky analýzy konečných prvkov pre valec za rôznych podmienok (jednotka: mm)
Obrázok
Analýza údajov, porovnanie a štúdium viedli k nasledujúcim záverom: valec vykazuje minimálnu deformáciu v statickom stave, pričom na oboch koncoch valca dochádza k výraznej lokalizovanej deformácii počas procesu obrábania s upnutím.
04
Podpora schémy nástrojov a procesu overovania pre tenkostenný{0}}valec na rudy
4.1 Optimalizovaná schéma nástrojov
Na základe nízkej{0}}tuhosti valca bola navrhnutá nová schéma podporných nástrojov (pozri obrázky 8 a 9). Táto schéma nástrojov pozostáva zo sady štyroch prstencových podpier inštalovaných na menej pevných častiach vnútornej steny valca. Vonkajší priemer prstencových podpier je nastaviteľný na uľahčenie inštalácie a náradie váži 150 kg. Každá prstencová podpera sa skladá z troch oblúkových{7}} doskových segmentov, spojovacích dosiek, skrutkových spojovacích prvkov a klinov. Susedné oblúkové segmenty sú spolu zoskrutkované; vonkajší priemer je možné lokálne nastaviť zmenou vzdialenosti medzi spojovacími otvormi. Po nastavení je zostava utiahnutá pomocou klinov a potom úplne zaistená skrutkovými spojmi.
Obrázok
Obrázok 8: Nástroj na podporu valca
Obrázok
Obrázok 9: Schéma inštalácie nástrojov na podporu valcov
1-Podložka 2-Koniec koníka obrábacieho stroja 3-Stred koníka
4-kruhové podporné nástroje 5-obrobok 6-čeľusť skľučovadla 7-ukončenie vreteníka obrábacieho stroja
Aby sa zabezpečilo, že sa tenkostenný valec premývačky rudy počas obrábania nedeformuje, je potrebné vykonať nasledujúce opatrenia:
1) Počas zvárania polotovaru valca je prstencový nosný nástroj privarený k vnútornej stene valca; po procese zvárania sa valec-spolu s prstencovými podperami-podrobuje žíhaniu na odstránenie napätia-v peci. Keďže prstencová podpera je privarená k telesu valca pred žíhaním, zvyšuje sa vlastná tuhosť valca, čím sa predchádza deformácii počas procesu žíhania na-odľahčenie.
2) Na skľučovadlo na konci vreteníka boli nainštalované štyri oporné dosky, ktoré podopierajú čelnú plochu valca a zabezpečujú, že upínacie čeľuste zvierajú vonkajší povrch valca na požadovanom mieste. Sada prstencových podporných prípravkov bola inštalovaná na vnútornej stene priamo oproti kontaktným bodom medzi upínacími čeľusťami a vonkajším povrchom valca, aby sa zabránilo deformácii spôsobenej upínacou silou. Pre rozhranie medzi obrobkom a stredom koníka bol navrhnutý procesný blok; konštrukčné požiadavky na tento blok boli, že jeho vonkajšie rozmery musia vyhovovať opracovaniu stredového otvoru a samotný stredový otvor musel byť špecifikovaný na základe stredového uhla obrábacieho stroja a hmotnosti obrobku.
4.2 Proces overovania
Po implementácii vyššie uvedených procesných opatrení sa po upnutí valca na obrábací stroj uskutočnil skúšobný chod. Na kontrolu hádzania valca boli použité číselníkové indikátory; zistilo sa, že presnosť vyrovnania je menšia ako 1 mm, čo plne vyhovuje požiadavkám plánu obrábania. Táto presnosť zarovnania bola v podstate v súlade s presnosťou zváraného polotovaru valca, čo potvrdzuje, že deformácia počas procesu upínania bola minimálna. Proces obrábania valca a hotový komponent sú znázornené na obrázkoch 10 až 12.
Obrázky
Obrázok 10 Hrubé a dokončovacie opracovanie valca
Obrázok 11 Procesný blok na rozhraní s centrom obrábacieho stroja
Obrázok 12 Hotový valec
Prijatím optimalizovanej schémy podpory valcov bol úspešne vyrobený tenkostenný -valec pre pračku rudy. Kontrola potvrdila, že všetky parametre presnosti spĺňajú špecifikácie výkresu. Optimalizovaná schéma podpory bola overená v praxi, čo tiež potvrdilo presnosť výsledkov analýzy konečných prvkov (FEA) pre valec.
05
Záver
Prostredníctvom analýzy konečných prvkov bola analýza tuhosti tenkostenného valca-rudy povýšená z empirického, kvalitatívneho prístupu na kvantitatívny. To účinne zlepšilo kvalitu návrhu výrobného procesu a vyústilo do optimalizovaného riešenia podporných nástrojov, ktoré je racionálne, nákladovo-efektívne a efektívne. Praktické overenie ukazuje, že tento prístup efektívne znižuje náklady na spracovanie a skracuje výrobné cykly; poskytuje vedecký základ pre výrobu podobných produktov a ponúka cennú referenciu pre iné porovnateľné položky.
