ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ УДАЛЕНИЯ ОКАЛИНЫ С ЛИСТОВОГО ПРОКАТА ДЛЯ ПОЛЫХ ШАРИКОВ

DOI 10.36622/VSTU.2021.17A020 УДК 621.01

ВЛИЯНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ФАКТОРОВ НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ УДАЛЕНИЯ ОКАЛИНЫ С ЛИСТОВОГО ПРОКАТА ДЛЯ ПОЛЫХ ШАРИКОВ

А.В. Панфилова, А.В. Королев, О.П. Решетникова, Б.М. Изнаиров, А.Н. Васин

Аннотация: рассматриваются результаты проведения экспериментальных исследований способа удаления окалины с поверхности стального листового проката. Предложен новый способ и устройство для очистки поверхности листового проката от окалины режущими пластинами, вращающимися вокруг оси, перемещающейся поступательно вдоль обрабатываемой поверхности. Пластины наклонены в направлении вектора вращения на угол до 10 градусов и упруго поджимаются к обрабатываемой поверхности. Это обеспечивает возможность в процессе очистки поверхности воспроизводить макронеровности листового проката. Приведены результаты экспериментальных исследований, построены математические и графические зависимости, описывающие влияние факторов процесса на эффективность очистки поверхности проката. Показано, что наиболее значимое влияние на параметр оптимизации оказывает сила воздействия инструмента на поверхность заготовки. Причем это влияние реализуется в прямо пропорциональной зависимости. Другие исследованные факторы, а именно: угол наклона пластины, скорость ее вращения и подача, оказывают значительно меньшее влияние на степень очистки проката. Эти исследования были необходимы с точки зрения определения конструктивных параметров силовых элементов как технологической оснастки, реализующей указанный способ, так и технологической установки в целом. План эксперимента был принят, исходя из реальных производственных возможностей индустриального партнера, и соответствовал классическим представлениям теории резания. Описанные результаты дают возможность планировать дальнейшие эксперименты по изучению направлений использования данного способа

Ключевые слова: полые шарики, экспериментальные исследования, окалина, режимы обработки, технологические факторы, регрессионная зависимость, момент сопротивления, степень влияния

Благодарности: статья подготовлена при финансовой поддержке гранта Президента Российской Федерации для государственной поддержки молодых российских ученых - кандидатов наук № МК-2395.2020.8

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.,

г. Саратов, Россия

Введение

которую нужно решать комплексно наряду с технологией изготовления заготовок полых шариков и их дальнейшей механической обработкой.

В последние годы все большее внимание уделяется новым направлениям в разработке высокоскоростных транспортных систем, особенно в авиационной и космической промышленности. Когда скорости перемещения летательных аппаратов достигают 15-20 махов и более, то требуется новый подход к конструктивному исполнению используемых в них подшипниковых узлов. Одним из таких направлений является применение в высокооборотистых подшипниках облегченных тел качения, например, в виде полых шариков. Для производства полых шариков чаще всего используется стальной листовой прокат. Как известно, окалина, возникающая в результате листового проката стали, является большой проблемой для дальнейшего его использования [1, 2]. Поэтому эффективная очистка от окалины его поверхности является задачей,

В статье [3] показаны результаты проведения экспериментальных исследований влияния режимов обработки на эффективность удаления окалины способом [4], предложенным одним из авторов статьи. Позднее авторами были проведены дополнительные экспериментальные исследования влияния режимов обработки на момент сопротивления вращению инструмента при очистке проката для полых шариков от окалины. Эти исследования были необходимы с точки зрения определения конструктивных параметров силовых элементов как технологической оснастки, реализующей указанный способ, так и технологической установки в целом.

Экспериментальные исследования выполнялись с использованием инструмента (устройства), изображенного на рис. 1, на рис. 2 показана фотография инструмента, изготовленного авторами. Устройство состоит из кор-

© Панфилова А.В., Королев А.В., Решетникова О.П., Изнаиров Б.М., Васин А.Н., 2021

пуса 2, держателя устройства 1, пружины 3, режущей пластины 4 и элементов крепления режущей пластины 5, 6 и 7. Для более эффективного удаления окалины и повышения стойкости инструмента режущая пластина выбирается из твердого сплава.

Инструмент закреплялся в шпинделе вертикально-фрезерного станка 6Р12 (рис. 2). Шпиндель станка вместе с инструментом поворачивался на угол 1-2 градуса к вертикальной оси станка.

В качестве оснастки использовались машинные тиски, в которых устанавливался экспериментальный образец в виде прямоугольной пластины, покрытой окалиной. Пластина вырезалась из стандартного листового проката.

Рис. 1. Схема устройства для удаления окалины

Рис. 2. Фотография устройства для удаления окалины

При выборе угла наклона устройства необходимо руководствоваться следующим: режущая пластина должна гарантированно сдвигать окалину, не царапая обрабатываемую поверхность.

В машинных тисках параллельно плоскости стола станка устанавливался экспериментальный образец. Стол поднимался до касания обрабатываемой поверхности экспериментального образца режущей пластины. Сила прижима режущей пластины к поверхности экспериментального образца определялась с помощью

индикатора часового типа по величине сжатия пружины, которая предварительно тарировалась. Затем инструмент отводился в крайнее положение экспериментального образца и устанавливался по оси его симметрии. Включались вращение шпинделя станка, продольная подача стола и производилась обработка.

Результаты экспериментальных исследований

После обработки результатов многофакторного эксперимента, проведенного по плану

2 , была получена регрессионная зависимость, устанавливающая связи момента сопротивления вращению инструмента с основными влияющими факторами. Противодействие работе инструмента (окалиноломателя), заключающееся в сопротивлении моменту его вращения, имеет ряд негативных последствий, таких как повышенный износ режущего инструмента, нагрев технологической системы, снижение качества обработки, уменьшение производительности, увеличенный расход электроэнергии и ряд других. Поэтому выявление значимости влияния каждого из выбранных технологических факторов на величину момента сопротивления вращению инструмента позволит выбрать их рациональные значения и, как следствие, повысить эффективность и качество удаления окалины.

Полученное уравнение регрессии в натуральных значениях переменных имеет вид:

М = -0,456 + 0,354 - а - 0,02 • V + + 0,31 • Р + 0,0278 • £ :

где М - момент сопротивления вращению инструмента, Н • м; а - угол наклона инструмента, градусов; V - окружная скорость вращения инструмента, м/мин; Р - сила воздействия инструмента на обрабатываемую поверхность, Н; £ - величина рабочей подачи, мм/об.

Согласно результатам проверки по критерию Фишера, все эти факторы существенно влияют на момент сопротивления вращению М . Коэффициент регрессии при факторе V -отрицательный, это значит, что с увеличением скорости вращения инструмента момент сопротивления уменьшается.

Остальные факторы равенства (1) влияют на его величину в противоположном направлении. Взаимовлияние факторов не выявлено.

Рис. 3-6 иллюстрируют эти выводы. Структура рисунков включает в себя графиче-

ское изображение влияния каждого из описанных выше факторов, причем это влияние показано при верхнем, нижнем и промежуточном значениях прочих факторов.

Очевидно, что наиболее значимое влияние на параметр оптимизации оказывает сила воздействия инструмента на поверхность заготовки Р (рис. 3). Причем, это влияние реализуется в прямо пропорциональной зависимости. Если сила возрастает с 40Н до 65Н (в 1,6 раза), момент увеличивается практически в этой же пропорции: с 11 Н  м до 18 Н  м (в 1,7 раза). Это можно объяснить тем, что увеличение силы Р вызывает возрастание силы трения рабочей кромки инструмента об обрабатываемую поверхность. Это обстоятельство непротиворечиво с точки зрения положений теории трибологии, т.к. физические тела произвольной формы взаимодействуют друг с другом по нормали, а нормальная составляющая силы увеличивается пропорционально увеличению модуля вектора силового воздействия. Разумеется, сделанный вывод справедлив в интервалах изменения величин, предусмотренных планом многофакторного эксперимента, с учетом возможности их интерполяции. Необходимо отметить, что план эксперимента был принят, исходя из реальных производственных возможностей индустриального партнера, и соответствовал классическим представлениям теории резания.

Рис. 3. График влияния на момент сопротивления вращению силы взаимодействия инструмента с обрабатываемой поверхностью

Окружная скорость инструментальной головки оказывает значимое влияние на момент сопротивления вращению, причем, это влияние обратно пропорционально и специфично, как это следует из рассмотрения рис. 4. Очевидно, что при ее увеличении от 63 м/мин до 157 м/мин (в 2,5 раза) параметр оптимизации уменьшается в 1,14 раза. Характерно, что при

наименьших значениях остальных факторов пропорция более значительна, чем при их наибольших значениях. Объяснить это влияние можно тем, что с увеличением относительной скорости перемещения возрастает сила соударения рабочей кромки инструмента о переднюю кромку окалины, и она более легко разрушается. Кроме того, с возрастанием окружной скорости снижается сила трения инструмента с обрабатываемой поверхностью.

Рис. 4. График влияния окружной скорости вращения инструмента на момент сопротивления

Угол наклона инструментальной головки относительно обрабатываемой поверхности также оказывает большое влияние на параметр оптимизации. Из рассмотрения графика на рис. 5 видно, что с увеличением угла наклона ока-линоломателя от 1 до 5 градусов (в 5 раз) параметр оптимизации - момент сопротивления -увеличивается в 1,11 раза. Сущность этого явления заключается в том, что увеличение угла наклона вызывает уменьшение тангенциальной составляющей силы взаимодействия рабочей кромки инструментальной пластины с фрагментами окалины, а это, в свою очередь, приводит к снижению момента сопротивления вращению.

Рис. 5. График зависимости параметра оптимизации от угла наклона инструмента к обрабатываемой поверхности

Математически значимое влияние на момент сопротивления оказывает величина рабочей подачи (рис. 4).

13,(1 п

I 18,(1--' --' ' ----

4 17,(1--

Р 16,0--

п.2 15,(1--

с 5 ----

8{ 14,(1--

Е ¡1 13,(1--

ш ш

I 12,(1--

10,(1 4-1-1-1-

12 3 4

Подача, мм;об

Рис. 6. График влияния рабочей подачи на параметр оптимизации

Однако физически это влияние наименее значимо по сравнению с остальными факторами. По результатам анализа графиков, приведенных на рис. 6, видно, что с возрастанием подачи образцов с 1 до 4 мм/об (в 4 раза) момент сопротивления вращению инструмента увеличивается всего на несколько процентов. Возрастание момента сопротивления вращению при увеличении подачи объясняется тем, что при этом увеличивается длина контакта рабочей кромки инструмента с окалиной, а это, в свою очередь, приводит к возрастанию силы их взаимодействия.

Выполненные исследования позволили определить рациональные режимы технологического процесса очистки проката от окалины. Максимальное допустимое значение £ найдем из графиков 3-6. Из этих графиков видно, что при всех допустимых значениях параметров, указанных в выражениях (1), максимальное значение подачи, равное £ = 4 мм/об, обеспечивается при следующих значениях факторов: а = 50, V = 157м/мин. и Р = 65Н.

Заключение

Выполнены исследования, которые позволили установить влияние основных технологических факторов на момент сопротивления вращению инструмента при осуществлении технологического процесса очистки поверхности проката от окалины твердосплавной пластиной. Рекомендуемым режимом обработки является следующий: продольная подача инструмента 4 мм/об, угол наклона твердосплавной пластины к нормали обрабатываемой поверхности 5 , скорость вращения инструмента 157 м/мин, сила прижима твердосплавной пластины к обрабатываемой поверхности 65 Н.

Результаты исследований предполагается использовать на операции очистки листового проката при изготовлении пустотелых шариков. Но необходимо проводить дальнейшие исследования предложенной технологии, которые позволят существенно расширить область ее практического применения.

Литература

1. Теоретическое исследование процесса прохождения горячекатаной полосы через изгибно-растяжной окалиноломатель непрерывно-травильного агрегата / Д.В. Суфьянов, Н.Н. Огарков, Е.А. Мурзаева и др. // Производство проката. 2012. № 10. С. 31-34.

2. Исследование возможности наиболее полного удаления окалины с поверхности катанки перед волочением / В.В. Парусов, А.Н. Савьюк, А.Б. Сычков и др.// Металлург. 2004. № 6. С. 69-72.

3. Исследование влияния режимов обработки на эффективность очистки листового проката для полых шариков от окалины / А.В. Королев, А.В. Панфилова, О.П. Решетникова и др. // Вестник Воронежского государственного технического университета. 2020. Т. 16. № 3. С. 120-126. DOI 10.25987/VSTU.2020.16.3.016.

4. Заявка 2014105408/02 Российская Федерация, МПК B08B 1/04 (2006.01). Способ очистки поверхности / Королев А.В., Королев А.А. (РФ); заявитель Королев А.В., Королев А.А.; заявл. 13.02.2014; опубл. 20.08.2015, Бюл. № 23

Поступила 22.06.2021; принята к публикации 20.08.2021 Информация об авторах

Панфилова Анастасия Вячеславовна - аспирант кафедры «Технология и системы управления в машиностроении», Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. (410054, Россия, г. Саратов, ул. Политехническая, д. 77), е-тай: anastasiypanfilova@idoud.com

Королев Альберт Викторович - д-р техн. наук, профессор кафедры «Технология и системы управления в машиностроении», Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. (410054, Россия, г. Саратов, ул. Политехническая, д. 77), е-mail: science7@bk.ru, тел.+7-905-326-98-92

Решетникова Ольга Павловна - канд. техн. наук, доцент кафедры «Технология и системы управления в машиностроении», Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. (410054, Россия, г. Саратов, ул. Политехническая, д. 77), е-тяИ: olgareshetnikova1@yandex.ru, тел.7-961-645-18-44

Изнаиров Борис Михайлович - канд. техн. наук, доцент кафедры «Технология и системы управления в машиностроении», Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. (410054, Россия, г. Саратов, ул. Политехническая, д. 77), е-mail: bageev1@mail.ru, тел.+7-962-622-81-74

146

Васин Алексей Николаевич - д-р техн. наук, профессор кафедры «Технология и системы управления в машиностроении», Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. (410054, Россия, г. Саратов, ул. Политехническая, д. 77), е-mail: vasin@sstu.ru, тел. +7-8452-99-87-90

INFLUENCE OF TECHNOLOGICAL FACTORS ON THE EFFICIENCY OF REMOVAL OF SCALE FROM FLATS FOR HOLLOW BALLS

A.V. Panfilova, A.V. Korolev, O.P. Reshetnikova, B.M. Iznairov, А.№ Vasin

Yuri Gagarin State Technical University of Saratov, Saratov, Russia

Abstract: here we consider the results of experimental studies of the method of removing scale from the surface of steel sheet products. We propose a new method and device for cleaning the surface of rolled sheets from scale by cutting plates rotating around an axis moving translationally along the treated surface. The plates are tilted in the direction of the rotation vector at an angle of up to 10 degrees and are elastically pressed to the treated surface. This makes it possible to reproduce the macrodimensions of sheet metal during the surface cleaning process. We present the results of experimental studies. We constructed mathematical and graphical dependences describing the influence of process factors on the efficiency of cleaning the rolled surface. We show that the most significant influence on the optimization parameter is exerted by the force of the tool's impact on the surface of the workpiece. Moreover, this influence is realized in a directly proportional relationship. Other factors studied, namely the angle of inclination of the plate, its rotation speed and feed, have a much smaller impact on the degree of cleaning of rolled products. These studies were necessary from the point of view of determining the design parameters of the power elements of both the technological equipment implementing this method and the technological installation as a whole. We adopted the experimental plan based on the real production capabilities of the industrial partner and corresponded to the classical concepts of the cutting theory. The described results make it possible to plan further experiments to study the directions of using the method

Key words: hollow balls, experimental studies, scale, processing modes, technological factors, regression dependence, moment of resistance, degree of influence

Acknowledgements: the study was carried out with the financial support of the grant of the President of the Russian Federation for governmental support of young Russian scientists (PhD) Grant No. MK-2395.2020.8

References

1. Sufyanov D.V., Ogarkov N.N., Murzaeva E.A. et al. "Theoretical study of the process of passing a hot-rolled strip through a bending-stretching scale breaker of a continuously etching unit", Production of Flates (Proizvodstvo prokata), 2012, no. 10, pp. 3134.

2. Parusov V.V., Sav'yuk A.N., Sychkov A.B. et al. "Investigation of the possibility of the most complete removal of scale from the surface of the wire rod before drawing", Metallurg, 2004, no. 6, pp. 69-72.

3. Korolev A.V., Panfilova A.V., Reshetnikova O.P. et al. "Research of the influence of processing modes on the efficiency of cleaning sheet metal for hollow balls from scale", Bulletin of Voronezh State Technical University (Vestnik Voronezhskogo gosudar-stvennogo tekhnicheskogo universiteta), 2020, vol. 16, no. 3, pp. 120-126, DOI 10.25987/VSTU.2020.16.3.016.

4. Korolev A.V., Korolev A.A. "Method of surface cleaning" ("Sposob ochistki poverkhnosti"), application 2014105408/02 Russian Federation, IPC B08B 1/04 (2006.01), appl. 13.02.2014; publ. 20.08.2015, bull. 23

Submitted 22.06.2021; revised 20.08.2021

Information about the authors

Anastasia V. Panfilova, graduate student, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov (77 Polytechnicheskya Street, Saratov 410054, Russia), e-mail: anastasiypanfilova@icloud.com

Al'bert V. Korolev, Dr. Sc. (Technical), Professor, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov (77 Polytechnicheskya Street, Saratov 410054, Russia), e-mail: science7@bk.ru, tel. +7-905-326-98-92

Ol'ga P. Reshetnikova, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov (77 Polytechnicheskya Street, Saratov 410054, Russia), e-mail: olgareshetnikova1@yandex.ru, tel. 7 +-961-645-18-44 Boris M. Iznairov, Cand. Sc. (Technical), Associate Professor, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov (77 Polytechnicheskya Street, Saratov 410054, Russia), e-mail: bageev1@mail.ru, tel. +7-962-622-81-74

Aleksey N. Vasin, Dr. Sc. (Technical), Professor, Yuri Gagarin State Technical University of Saratov (77 Polytechnicheskya Street, Saratov 410054, Russia), e-mail: vasin@sstu.ru, tel. +7-8452-99-87-90