close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Решение задачи формообразования цилиндрического вала при базировании заготовки на обрабатываемую поверхность..pdf

код для вставкиСкачать
Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 8. Ч. 2
УДК 621.91
РЕШЕНИЕ ЗАДАЧИ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ
ЦИЛИНДРИЧЕСКОГО ВАЛА ПРИ БАЗИРОВАНИИ ЗАГОТОВКИ
НА ОБРАБАТЫВАЕМУЮ ПОВЕРХНОСТЬ
А.В. Щурова
В процессе эксплуатации роторов турбин шейки их валов подвергаются
износу. Малогабаритные валы восстанавливаются шлифованием в центрах.
Крупногабаритные валы целесообразно восстанавливать на местах их эксплуатации.
В связи с этим рассматривается возможность обработки шеек без использования
центров, например базированием по обрабатываемым поверхностям. Для этого
рассмотрены различные виды обработки: точение, фрезерование, шлифование с
базированием на различные опоры. Использование имитационного моделирования
показало, что возможно уменьшение отклонений от круглости шеек валов на порядок,
при выборе определенных параметров технологической системы и режима обработки.
Ключевые слова: восстановление шеек валов турбин, базирование по
обработанной поверхности, точение, фрезерование, шлифование.
В энергетике применяются роторы турбин, шейки валов которых
закрепляются в подшипниках скольжения. В процессе эксплуатации
данные шейки изнашиваются, что требует извлечения роторов для
последующего восстановления изношенных поверхностей. Одним из
традиционных способов восстановления является доставка роторов на
специализированные предприятия, где имеется соответствующее
металлорежущее оборудование крупных размеров. Обработка валов
производится в центрах по имеющимся центровым отверстиям [1].
Учитывая крупные габариты деталей, их доставка на предприятия
существенно увеличивает стоимость восстановления. В связи с этим
нередко применяется стратегия «оборудование к детали». Для снижения
стоимости доставки размеры станков необходимо уменьшать, что явилось
причиной появления оборудования с орбитальной технологией обработки
[2]. В этом случае такой станок закрепляется на свободных
цилиндрических участках вала и производит обработку его шейки,
вращаясь вокруг его оси. Очевидно, что точность такой обработки
существенно зависит от правильного базирования станка на валу. Имеются
и другие аналогичные решения, но их недостаток: базирование по
свободным поверхностям вала аналогичен. Одним из способов
восстановления может быть способ базирования вала одновременно по
двум его шейкам на точечных, призматических или роликовых опорах,
одна из которых должна быть связана с инструментальной головкой и ее
механизмом подачи. Такой вариант может быть реализован на
балансировочных станках, которые в любом случае используются для
окончательной балансировки ротора [3]. Однако очевидный недостаток
44
Проблемы точности и качества обработки и сборки
этого способа, связанный с базированием по некруглой обрабатываемой
поверхности, требует соответствующего изучения. Обработка резанием с
базированием по обрабатываемой поверхности не находит в настоящее
время применения, поскольку практика показывает, что добиться
необходимой круглости радиального сечения зачастую не удается [4].
Происходит копирование исходного некруглого профиля заготовки на
профиль обработанной поверхности. В связи с этим автором была
предпринята попытка оценить возможность получения шейки вала с
допустимым отклонением от круглости с использованием различных схем
базирования и способов обработки.
Прежде всего, необходимо было решить задачу формообразования,
а именно определить уравнение получаемой поверхности детали, при
обработке ее заданным инструментом при заданной схеме обработки.
Однако такая задача представляет собой трудность, связанную с
неопределенностью движения инструмента относительно заготовки, что
обусловлено базированием в начальный момент времени заготовки по
изношенной некруглой поверхности, которая впоследствии меняется в
каждый последующий момент времени обработки. Таким образом,
спецификой данной задачи является то, что номинальная поверхность
детали (НПД) определяется законом движения, который зависит от
поверхности, подвергаемой обработке, и которая, в свою очередь,
формируется этим же законом. Исходя из этого, было принято решение о
целесообразности применения имитационного вида моделирования. Таким
образом, определение на основе решения задачи формообразования
возможности получения приемлемой величины отклонения от круглости
первоначально некруглого вала путем обработки его базированием на
обрабатываемую поверхность является целью данного исследования.
Создание
расчетных
схем
восстановления
валов
с
использованием различных схем базирования и способов обработки
резанием. Прежде всего, были определены схемы базирования валов по
обрабатываемой поверхности. Поскольку следующая за механической
обработкой балансировка ротора турбины производится базированием по
двум поверхностям шеек его вала, то представляется целесообразным
использование этих же двух поверхностей одновременно и в качестве
технологических базы обработки. Таким образом, предполагается
использовать двойную направляющую базу (перемещение по
горизонтальной и вертикальной осям и поворот вокруг этих осей
ограничен). Дополнительная опорная база по торцу вала позволит
исключить его перемещение по оставшейся горизонтальной оси. Вращение
вала вокруг этой оси будет одним из движений резания.
Как известно, двойная направляющая база может быть реализована
различным образом, а именно установкой на различные поверхности. В
общем случае изношенная шейка вала может иметь любую форму
45
Известия ТулГУ. Технические науки. 2016. Вып. 8. Ч. 2
поверхности, однако предварительные исследования показали, что чаще
всего это цилиндрическая поверхность, при этом отклонение от круглости
представляет собой овальность (именно это и было далее принято в
расчетных схемах), реже огранку. Исходя из этого, достаточно
рассмотрения условий базирования в радиальном сечении вала. Очевидно,
что это может быть три варианта: касание сечения вала с установкой на
точечные опоры, касание с прямой линией (базирование на плоскости в
призме) и касание с окружностью (цилиндрические поверхности роликов).
При рассмотрении методов обработки резанием можно установить
те же самые случаи в радиальном сечении вала: касание НПД точкой
инструмента (обработка резцом), касание прямой линией исходной
инструментальной поверхности (ИИП) – это торцевое фрезерование и
шлифование, и касание окружностью (аналогично). Таким образом, три
случая базирования и три метода обработки резанием позволяют получить
девять различных комбинаций. Данные случаи были рассмотрены автором
работы. Некоторые расчетные схемы приведены на рис. 1 и рис. 2.
Рис. 1. Расчетные схемы для точения при базировании на точеные
опоры и торцового фрезерования при базировании в призмах
Случай точения резцом с базированием на точечные опоры. В этом
случае, в системе координат, связанной с заготовкой (X1 O1 Y1), ее
радиальный профиль как множество точек {A} можно описать
каноническим уравнением эллипса в параметрической форме
x1 = ( R + e / 2) cos(θ) и y1 = ( R − e / 2) sin(θ),
(1)
где R и e – соответственно средний радиус сечения заготовки и величина
максимального отклонения ее профиля от окружности; θ – полярный угол
радиус-вектора произвольной точки профиля указанного сечения (на рис. 1
не показан).
46
Проблемы точности и качества обработки и сборки
Рис. 2. Расчетные схемы для шлифования торцом абразивного круга
и его периферией с базированием на ролики
Аналогично с началом в центре заготовки и с осями,
расположенными горизонтально и вертикально вводится вспомогательная
система координат (X0 O0 Y0) – СКВ. Пусть в первый момент времени
обработки системы СКВ и СКЗ совпадают. Тогда в последующий момент,
в соответствии с главным движением резания – движением вращения
заготовки вокруг оси Z1 – последняя со своей системой повернется
в СКВ на некоторый угол ϕ . Уравнения взаимосвязи таких систем имеют
вид
x0 = x1 cos(−ϕ) + y1 sin(−ϕ) и y0 = − x1 sin(−ϕ) + y1 cos(−ϕ).
(2)
Очевидно, что все приведенные уравнения позволяют рассчитать
множество точек {C} профиля заготовки в произвольный момент времени
ее поворота.
Далее была введена система координат, связанная с опорами и
инструментом (XИ OИ YИ), – СКИ. Начало такой системы определено в
горизонтальном направлении посередине между опорами, а в
вертикальном – на двух взаимно перпендикулярных линиях, проходящих
через указанные опоры. Оси данной системы расположены параллельно
осям СКВ. В данной системе определим координаты точек опор: левой A и
правой B по зависимостям
xuA = − L / 2, yuA = − H , xuB = L / 2, yuA = − H ,
(3)
где L – расстояние между опорами и H – высота расположения СКИ над
опорами – являются настроечными параметрами операции.
47
Проблемы точности и качества обработки и сборки
установлено, что характер изменения величины отклонения от
круглости в рассматриваемых процессах зависит от параметров наладки,
количества оборотов заготовки и подачи резца на ее оборот. При этом
отклонение от круглости асимптотически уменьшается до минимального
значения в пределах 300 оборотов заготовки.
Список литературы
1. High precision grinding machines. DanobatGroup, 2013. 28 p.
2. Orbital Tool Technologies. Shaft and Journal Repair, USA, 2012.
2 p.
3. Вибродиагностика и балансировка. М.: Диамех, 2010. 26 с.
4. Кузнецов И.П. Методы бесцентрового шлифования поверхностей
тел вращения. М.: Специнформцентр, 1970. 118 с.
Щурова Анна Владимировна, канд. тех. наук, доц., shchurova av@mail.ru,
Россия, Челябинск, Южно-уральский государственный университет
A SOLUTION OF THE SURFACE GENERATION PROBLEM FOR CYLINDRICAL SHAFT
BY LOCATION ON ITS MACHINING SURFACE
A.V. Shchurova
During the operational life of rotor turbines, their shaft journals are wearing. Smallsize shafts are recovered by grinding in centers. It is reasonable to recover large-size shafts
on their operation places. In this regard the possibility of journal machining without the
centers, for example by basing on the machining surfaces, is considered. For this purpose
different types of machining are considered: turning, milling, grinding with different kind of
locations. Usage of simulation modelling has shown that the reduction of the deviation from
journal roundness can be decreased by more than on order of magnitude by determination of
appropriate of technological system and cutting parameters.
Key words: turbine rotor journal restoration, location on the machining surface,
turning, milling, grinding.
Chchurova Anna Vladimirovna, candidate of technical sciences,
shchurova av@mail.ru, Russia, Chelyabinsk, South Ural State University
51
docent,
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа