Высокоскоростные шлифовальные машины.
В промышленности большой объем работ выполняется с помощью ручных пневмошлифовальных машин. Предлагаемый рынку российскими и зарубежными фирмами пневмо-шлифовальный инструмент в основном представляет собой низкооборотные пневмомашины с объемным ротационным двигателем, которые имеют большой удельный вес, приходящийся на единицу мощности. Вследствие несбалансированности ротора и использования в этих пневмомашинах подшипников качения возникает значительный уровень вибрации и шума. Ресурс самих подшипников невысокий.
В настоящее время промышленностью освоен выпуск шлифовальных кругов с окружной скоростью до 120 м/с. Для их эффективного использования необходим высокооборотный пневмоинструмент, способный обеспечить повышенную производительность. Этому требованию удовлетворяют пневматические турбошлифовальные машины с подшипниками на газовой смазке.
Применение газовых опор позволяет снизить износ абразивного и фрезерного инструмента, существенно увеличить срок эксплуатации пневматических машин и производительность работы при малых силах резания, решить проблему зашиты операторов от вибрационных и акустических воздействий, повысить чистоту обрабатываемой поверхности, надежно работать в запыленных помещениях, а также при высокой и низкой температуре и влажности.
В технической литературе представлен ряд конструкций пневмошлифовальных машин с подшипниками на газовой смазке. Однако серийный выпуск такого инструмента в России по разным причинам не освоен. Полностью они отсутствуют в номенклатуре иностранных фирм — лидеров в области производства пневматических шлифовальных машин (
Atlas Copco, Dezoutter, Bosch и др.).
Очевидно, что широкое внедрение в промышленность пневмошлифовального инструмента на газовых опорах должно ускорить работы, направленные на совершенствование конструкций машин, обеспечивающих недорогостоящую технологию производства на предприятиях, имеющих современный станочный парк. Немаловажное значение при этом должно быть уделено дизайну машин, а также материалам их узлов и элементов.
Решение этой проблемы нашло в какой-то мере отражение в трех конструкциях пневмошлифовальных машин моделей ВПМШ 150.01, ВПМШ 035.01 и ВПМШ 015.01, разработанных в Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете (КнАГТУ).
Общий вид высокоскоростной пневмошлифовальной машины модели ВПМШ 150.01 показан на рисунке ниже.
Машина предназначена для разделки кромок под сварку, зачистки сварных швов, обработки поверхности фундаментов и т.д. Основными элементами машины модели ВПМШ 150.01 являются: корпус, шпиндель, турбопривод, газостатические подшипники, регулятор частоты вращения, глушитель шума, воздушный фильтр и пусковой клапан.
Корпус машины 4 изготовлен из алюминиевого сплава, анодирован (толщина покрытия составляет 10-20 мкм). В корпусе имеются сверления для подвода сжатого воздуха к газовым подшипникам и для его отвода. Впереди, на утолщенной части корпуса, размешено окно для выхода отработавшего в турбине воздуха.
Для точного сопряжения деталей внутренние поверхности корпуса обработаны до шероховатости Ra=0,32 мкм при радиальном биении не более 10 мкм.
Шпиндель 5 машины выполнен из стали 30ХГСА, термообработан до HRC 45-50, хромирован. Высокая твердость и чистота поверхности, достигаемая шлифовкой, уменьшают вероятность повреждения шпинделя при случайных касаниях или попадании в зазор абразивных частиц. Для снижения дисбаланса допускается биение шпинделя относительно оси не более 5 мкм.
Шлифовальный круг или фреза крепятся на выходном конце шпинделя цанговым зажимом.
На противоположном конце шпинделя имеется проточка для крепления рабочих колес (РК) первой ступени 7 и второй ступени 9. Между рабочими колесами установлен направляющий аппарат 10, а перед рабочим колесом первой ступени — сопловой аппарат (СА) 12 с суживающимися соплами. Малоразмерная турбина представляет собой двухвенечную турбину со ступенями скорости. Наружный диаметр колес турбопривода около 75 мм. В качестве материала турбинных дисков используется дюраль марки А16Т. Применение легкого сплава уменьшает уровень дисбаланса и напряжения в дисках и корневом сечении рабочих лопаток, которое возникает от действия центробежных сил.
Рабочие колеса имеют бандаж, что снижает утечку воздуха из канала в канал по торнам лопаток и утечку через радиальный зазор.
Пневмошлифовальная машина ВПМШ 150.01 имеет два опорных и два упорных газовых подшипника. Опорные подшипники 3 и 6 — с дренажными канавками, двухрядные — по 12 отверстий в каждом ряду диаметром 0,4 мм. Относительная длина подшипников равна 1,2. Из условия обеспечения максимальной несущей способности зазор между шпинделем и вкладышем подшипников составляет 50-70 мкм. Один опорный подшипник способен выдержать нагрузку около 60 Н при относительном эксцентриситете ?=0,5.
Осевое усилие воспринимается подшипником 8, упорным гребнем которого служит диск второго рабочего колеса, и подпятником 13 регулятора частоты вращения 14. Рабочая поверхность упорных подшипников выполнена с лабиринтными уплотнениями. Подшипники имеют 12 питающих отверстий, расположенных в двух кольцевых рядах. Диаметр питателей 0,4 мм. Каждый упорный подшипник несет нагрузку около 50 Н.
Вкладыши опорных и упорных газовых подшипников фиксируются на посадочных местах вклеиванием. Для этой цели используется клей на основе эпоксидной смолы. Как показала практика, это соединение надежно в работе и простое по исполнению.
В качестве материала вкладышей подшипников выбран графит марки АГ 1500 Б83. Он обладает низким значением коэффициента трения и не «схватывается» с металлом при случайном соприкосновении на большой скорости. Графит хорошо работает во влажных газах.
Для снижения генерируемого турбиной высокочастотного шума в машине предусмотрен глушитель 7.
Принцип его работы заключается в уменьшении энергии потока вследствие его многократного поворота и расширения. Глушитель шума представляет собой крышку, наворачиваемую на корпус турбины.
Для очистки воздуха от твердых частиц и масла в пневмомашине установлен фильтр 76 из пористого материала. Материал выбран из условий малого сопротивления воздушному потоку и пропускания частиц, меньших среднего радиального зазора в подшипнике, что позволяет обеспечить возможность уноса частиц из зазора потоком воздуха.
Кожух 2 защищает оператора от стружки, абразивных частиц и внезапного разрыва шлифовального круга.
Пневмошлифовальная машина ВПМШ 150.01 работает следующим образом. При подключении машины к пневмосети и закрытом пусковом клапане 75 сжатый воздух поступает только на опорные подшипники, что дает шпинделю возможность «всплыть». С открытием пускового клапана воздух одновременно идет на упорные подшипники и через сопловой аппарат на турбинные колеса, приводя во вращение шпиндель. Отработанный в турбине воздух выходит из окна, расширяется в пространстве между крышкой глушителя и корпусом и покидает машину через сверления в крышке.
Конструкции пневмошлифовальных машин моделей ВПМШ 035.01 и ВПМШ 01 5.01, показанные на рис. 2, отличаются от конструкции машины модели ВПМШ 150.01 отсутствием регулятора частоты вращения и бандажа на рабочих колесах. Сопловой аппарат машин совмещен с упорным подшипником. Кроме этого приводом машины ВПМШ 015.01 служит одноступенчатая турбина активного типа.
В машинах ВПМШ 035.01 и ВПМШ 015.01 в качестве материала вкладышей газовых подшипников используется бронзографит. Вкладыши изготовлены методом порошковой металлургии. Этот материал оказался более технологичным, чем графит. Бронзографит имеет малый коэффициент трения и так же, как и графит, хорошо работает во влажном воздухе. Пара сталь—бронзографит не образует между собой прочных адгезионных связей, приводящих к разрушению шпинделя в виде глубоких вырывов и царапин.
Благодаря «самобалансировке» шлифовальных кругов во время эксплуатации все машины работают устойчиво на номинальной частоте вращения до полного срабатывания круга. При проектировании турбопривода представленных моделей пневмошлифовальных машин использованы последние научные достижения в области экспериментального исследования малоразмерных турбин с корректировкой математической модели применительно к разрабатываемому объекту. Проектирование радиальных и упорных газостатических подшипников выполнено в соответствии с развитыми в КнАГТУ методами расчета их характеристик. В целом проектировочные расчеты турбопривода и газовых подшипников ориентированы на современные технологические возможности российских предприятий.
Технические характеристики разработанных пневмомашин при давлении сжатого воздуха 0,5 МПа представлены в таблице.
При скорости абразивной обработки 120 м/с на пневматические машины моделей ВПМШ 150.01, ВПМШ 035.01 и ВПМШ 015.01 допускается устанавливать шлифовальные круги диаметром до 80, 20 и 10 мм соответственно. Такие относительно малые значения диаметров не являются предельными, поскольку уже сейчас ряд предприятий готовы к выпуску абразивных кругов, работающих с окружной скоростью до 300 м/с.
Эксплуатационные испытания пневмомашин проведены на ПФ «КамАЗ-инструмент», в Иркутском НИИ авиационной технологии и организации производства, АО «Амурский судостроительный завод» и Комсомольском-на-Амуре авиационном производственном объединении им. Ю.А. Гагарина. Комиссиями предприятий отмечены устойчивая работа инструментов во всем диапазоне изменения нагрузок, более высокая производительность работы (в 3-5 раз) по сравнению с отраслевыми машинами, высокая чистота обработанной поверхности (Ra=0,63-1,2-5 мкм при фрезеровании алюминиевых и медных сплавов и Ra=0,16-0,32 мкм при обработке сталей с применением охлаждающих сред в виде распыления), плавный пуск и отсутствие ощутимой для оператора вибрации.
Измерение шумовибрационных показателей пневматических машин моделей ВПМШ 035.01 и ВПМШ 015.01 проведено в Государственном испытательном центре по ручным машинам, а машины модели ВПМШ 150.0 — на Дальзаводе (г. Владивосток). Фактические уровни звуковой мощности пневматических инструментов показаны на рис. 3.
Серийный выпуск пневмошлифовальных машин моделей ВПМШ 035.01 к ВПЧШ 015.01 с объемом 1200 машин в месяц освоен ООО «Контакт» (г. Комсомольск-на-Амуре). По результатам испытаний этого инструмента Государственным комитетом РФ санитарно-эпидемиологического надзора выдан гигиенический сертификат.
Конструкция машин, их основные элементы и узлы защищены патентами Российской Федерации. Разработанный пневмошлифовальный инструмент нашел спрос на предприятиях России, стран СНГ, Южной Кореи и Китая. Машины также демонстрирование на ряде предприятий корпорации Боинг США.
В 2008 году на VIII Московском международном салоне инноваций и инвестиций и XIII Международной выставке-конгрессе «Высокие технологии. Инновации. Промышленные инвестиции» (г. С.-Петербург) шлифовальные машины удостоены бронзовой и серебряной медалей соответственно.
Александр Космынин, д.т.н.,
Алексей Смирнов, к.т.н.,
Вячеслав Шаломов, инженер,
Сергей Виногралов, инженер,
Комсомольский-на-Амуре
государственныйтехнический
университет
Источник информации: Журнал "Техномир"
