Динамическая стабилизация высокопроизводительного отделочного выглаживания для многоцелевой обработки шпинделей и штоков трубопроводной арматуры

Надёжность трубопроводной арматуры высокого давления гарантирует безопасность магистральных трубопроводов и нефтегазового оборудования.

По состоянию на 2006 год объём производства запорной арматуры составил более 3 млн. единиц продукции и превысил в стоимостном выражении уровень 2005 года на 17,1%. При этом доля высокотехнологичной запорной арматуры высокого давления составляет более 30% [3].

Достижение эксплуатационных свойств трубопроводной арматуры (ТПА) высокого давления в значительной мере связано с гарантированным обеспечением параметров качества уплотнительных поверхностей ответственных деталей. На заводах трубопроводной арматуры и ремонтных предприятиях в качестве финишной операции при производстве шпинделей и штоков запорной арматуры применяют малопроизводительную доводку на притирочных станках или полировку. Эти способы трудоёмки и не могут обеспечить требуемое качество уплотнительных поверхностей штоков и шпинделей, производимых из нержавеющих сталей 20X13- 30X13- 14Х17Н2- и т. п. Применяемая в настоящее время технология финишной обработки данных деталей приводит к повышенному износу сальникового уплотнения из-за абразивных шламовых частиц, остающихся в поверхности металла.

С целью повышения надежности ТПА наметилась тенденция к расширению использования методов поверхностного пластического деформирования (ППД) в качестве отделочной обработки деталей и, в частности, алмазного выглаживания.

В высокотехнологичном машиностроении возрастает применение то-карно-фрезерных центров с ЧПУ, позволяющих выполнять многоцелевую обработку сложных и ответственных деталей за один установ. Для широкого использования в отечественном арматуростроении многоцелевой обработки шпинделей и штоков необходимо решить вопрос реализации высокопроизводительного выглаживания уплотнительных поверхностей. 5.

В настоящее время отсутствуют теоретические подходы и практика создания инструмента, обеспечивающего динамическую стабильность высокопроизводительного выглаживания ответственных поверхностей деталей с достижением величины микронеровностей в сотые доли микрометра. Сложившиеся обстоятельства ограничивают экономическую эффективность и технологические возможности многоцелевой обработки шпинделей и штоков ТПА высокого давления.

Таким образом, динамическая стабилизация высокопроизводительного выглаживания уплотнительных поверхностей при многоцелевой обработке шпинделей и штоков, представляет собой актуальную проблему, решение которой представляет не только научный, но и практический интерес.

Данными обстоятельствами обусловлена цель работы: динамическая стабилизация процесса высокопроизводительного отделочного выглаживания уплотнительных поверхностей на основе создания специального инструмента для реализации обработки шпинделей и штоков трубопроводной арматуры высокого давления на токарно-фрезерных центрах за один установ.

Для осуществления цели в работе поставлены следующие задачи:

1. Разработать теоретическую нелинейно-динамическую модель упругого выглаживания поверхностей деталей на токарно-фрезерном центре.

2. Исследовать методами фазового портрета и имитационного моделирования условия перехода от автоколебательного к устойчивому процессу взаимодействия индентора с поверхностью обрабатываемой детали и определить влияние параметров упругодемпфирующих элементов инструмента на динамическую стабилизацию процесса.

3. Создать экспериментальную установку и провести исследования упруго-демпфирующих свойств элементов конструкции инструмента для обеспечения виброустойчивости (отсутствие автоколебаний) нелинейно-динамического процесса выглаживания.

4. Разработать быстросменный инструмент со встроенным узлом динамической стабилизации (УДС) для высокопроизводительного отделочного выглаживания уплотнительных поверхностей шпинделей и штоков ТПА из нержавеющих сталей при многоцелевой обработке.

5. Разработать инженерную методику настройки натяга упруго демпфирующего элемента УДС быстросменного инструмента (силы выглаживания) для обеспечения требуемого уровня шероховатости поверхности детали при высокопроизводительной отделочной обработке на токарно-фрезерном центре.

Методы и средства исследования. В теоретическом исследовании использовались методы теории колебаний, теории нелинейной динамики систем, теории упругости и пластичности, имитационного моделирования в проблемно-ориентированном пакете Vissim 5. Экспериментальные исследования узлов динамической стабилизации разработанного инструмента проводились на специальной установке, основанной на методах триботехники. Практическая реализация высокопроизводительного отделочного выглаживания выполнена на многоцелевых токарно-фрезерных центрах MULTUS В-300W и ES-L8II-M, (OKUMA, Japan). Для измерения параметров шероховатости применялся компьютеризированный профилограф-профиломегр 170 623 (ОАО «Калибр»).

Научная новизна.

1. Разработана математическая модель нелинейной динамики процесса упругого выглаживания поверхностей тел вращения на динамически жёстком станке, в основу построения которой положено:

— представление динамической системы в виде нелинейно-динамического ядра (НДЯ), нелинейные параметры которого и предопределяют возможность автоколебательного движения индентора инструмента;

— описание цикла колебаний индентора при выглаживании поверхности четырьмя участками (фазами) посредством кусочно-линейной аппроксимации;

— гистерезисный характер изменения высоты валика в контакте «инден гор-обрабатываемая поверхность»;

— разрывной вид зависимостей силы сухого трения в упру го демпфирующих элементах инструмента и жёсткости контакта индентора с поверхностью.

2. Установлена зависимость критической скорости выглаживания от изменения высоты валика деформированного металла, радиуса заточки и виброскорости индентора и позволившая определить границу динамической стабилизации процесса (переход от автоколебательного к динамически устойчивому упругому выглаживанию).

3. Создан многолистный фазовый портрет нелинейной динамики упругого выглаживания, позволивший имитационным моделированием установить влияние параметров нелинейно-динамического ядра (НДЯ) на виброустойчивость процесса и определить границы изменения параметров упругодемпфи-рующих элементов и массы индентора инструмента.

4. Научно обоснован синтез встроенного УДС выглаживающего инструмента на основе двухуровневого управления энергетикой колебательного движения индентора, соответственно:

— диссипацией накопленной энергии полого индентора упругодемпфи-рующими элементами специальной конструкции (конструкционный уровень).

— снижением притока энергии за счёт изменения механики контактного взаимодействия формой заточки рабочей части индентора (технологический уровень).

Достоверность научных положений.

Достоверность предложенной математической модели подтверждена:

1. Отсутствием колебаний при отделочном упругом выглаживании для расчётных и практически реализованных параметров элементов узла динамической стабилизации (УДС) разработанного инструмента (масса инденгора т=(2−10)г, коэффициент вязкого трения В=(200−400)Нс/м), при силе выглаживания ?=(150−250)Н;

2. Обеспечением требуемой шероховатости уплотнительной поверхности шпинделей и штоков Ка=(0.02−0.15)мкм при высокопроизводительном выглаживании (У=300м/мин, 8=0.3мм/об) и использовании быстросменного инструмента с рассчитанными параметрами упру го демпфирующего элемента и формой заточки рабочей части индентора УДС (11=20мм, В=Ю.8мм) на то-карно-фрезерном центре.

Практическая ценность.

1. Разработана программная реализация математической модели нелинейной динамики упругого выглаживания в пакете Угзбпп. 5 для имитационного моделирования влияния широкого спектра изменения параметров модели на виброустойчивость процесса без дорогостоящих и длительных экспериментальных исследований.

2. Создан и запатентован быстросменный инструмент с узлом динамической стабилизации (патенты Р.Ф. № 62 554, 70 176) для высокопроизводительного отделочного выглаживания уплотнительных поверхностей деталей из нержавеющих сталей.

3. Разработана инженерная методика определения оптимального натяга уп-ругодемпфирующего элемента УДС быстросменного выглаживателя (обеспечение силы выглаживания) по критерию требуемой величины шероховатости обрабатываемой поверхности.

4. Применение быстросменного инструмента с узлом динамической стабилизации обеспечило высокопроизводительное отделочное выглаживание уплотнительных поверхностей штоков и шпинделей с шероховатостью На=0.03−0.15 мкм со скоростью до 300 м/мин и подачей до 0,3 мм/об при многоцелевой обработке.

Область применения результатов. Разработанную математическую модель можно использовать при проектирования новых конструкций инструмента. Созданный быстросменный инструмент с узлом динамической стабилизации может быть применен при высокопроизводительном отделочном выглаживании деталей из нержавеющих сталей 20X13- 30X13- 14Х17Н2 и т. п.

Апробация работы.

Основные положения работы докладывались и обсуждались на: ежегодных научных семинарах кафедры «Автоматизация производственных процессов» Курганского государственного университета с 1990 по 2008 гг.- Международной научно — технической конференции «Современные проблемы машиностроения» в г. Томске, 2006 г.- международной научно — технической конференции «Новые машины и технологии для ремонта магистральных трубопроводов» в г. Кургане, 2006 г.- межкафедральном научном семинаре в Курганском государственном университете, 2007 гобъединенном научно-техническом семинаре в Тюменском государственном нефтегазовом университете, 2007 г.- семинаре «Современные уплотнения, уплотнительные материалы изделия и специальный инструмент для оборудования нефтеперерабатывающей нефтехимической, газоперерабатывающей промышленности и производства синтетического каучука» проведённым Советом главных механиков нефтеперерабатывающих и нефтехимических предприятий России и стран СНГ в г. Москве, 2008 г.- IX международной научно-технической конференции «Кибернетика и высокие технологии XXI века» в г. Воронеж 2008 г.

Публикации. По теме диссертационной работы опубликовано 14 печатных работ, включая 2 статьи в центральных журналах (список ВАК РФ), 6 патентов РФ на полезную модель.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения с основными результатами и выводами, списка использованных источников из 134 наименований, приложенийсодержит 121 страницу печатного текста, 69 рисунков. На защиту выносятся:

5.4. ВЫВОДЫ.

1. Разработана и апробирована в производственных условиях инженерная методика определения оптимального натяга упругого элемента УДС выглаживателя по критерию требуемой величины шероховатости обрабатываемой поверхности тестовой детали.

2. Реализовано высокопроизводительное отделочное выглаживание уплотнительных поверхностей деталей ТПА из нержавеющей стали 20X13, на мпогооперационном токарно-фрезерных центрах (подача 0,3 мм/об, скорость выглаживания 300 м/мин).

3. Обеспечена динамическая стабилизация высокопроизводительного отделочного выглаживания применением предложенного инструмента с УДС и индентором с теоретически обоснованная формой рабочей части что позволило достичь уровень шероховатости 11а=(0.01−0.08)мкм при скорости выглаживания У=300м/мин и подаче 8=0.3мм/об.

4. При высокопроизводительном выглаживании шпинделей и штоков ТПА за один установ на токарно-фрезерном центре обеспечен существенный технико-экономический эффект за счёт стабильного уменьшения шероховатости уплотнительной поверхности до уровня Ка<(0.03−0.15 мкм).