автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.13, диссертация на тему:Совершенствование процесса и оборудования для получения маломерных прямоугольных пластин из штучных листов

Серебренников Юрий Георгиевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МАЛОМЕРНЫХ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ПЛАСТИН ИЗ ШТУЧНЫХ листов

Специальность 05.02.13 —Машины, агрегаты и процессы (Металлургия). Технические науки

6 ИЮН 2013

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Норильск 2013

005060962

На правах рукописи

Серебренников Юрий Георгиевич

СОВЕРШЕНСТВОВАНИЕ ПРОЦЕССА И ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ МАЛОМЕРНЫХ ПРЯМОУГОЛЬНЫХ ПЛАСТИН ИЗ ШТУЧНЫХ ЛИСТОВ

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (Металлургия). Технические науки

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Норильск 2013

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО «Норильском индустриальном институте» на кафедре «Технологические машины и оборудование»

Научный руководитель: кандидат технических наук, доцент

Пилипенко Сергей Степанович

Официальные оппоненты: Анцупов Виктор Петрович, доктор техни-

ческих наук, профессор, ФГБОУ ВПО «МГТУ им. Г.И. Носова», кафедра «Механическое оборудование металлургических заводов»

Некипелов Владимир Станиславович, кандидат технических наук, директор ООО «НПО ВзрывоБезопасность»

Ведущая организация: ООО «Институт Гипроникель «Нориль-

ский филиал «Институт «Норильскпро-ект» г. Норильск

Защита состоится «27» июня в 14.00 на заседании диссертационного совета Д 212.111.03 в ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова», по адресу 455000, г. Магнитогорск, пр. Ленина, 38, МГТУ, малый актовый зал.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке в ФГБОУ ВПО «Магнитогорский государственный технический университет им. Г.И. Носова»

Автореферат разослан «// » мая 2013 г.

Учёный секретарь диссертационного совета

Жиркин Ю.В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Маломерные прямоугольные пластины, полученные путём резки листов, используются в строительстве при производстве железобетонных и металлических конструкций, в машиностроении. Процесс получения маломерных прямоугольных пластин входит также в состав технологического процесса производства некоторых цветных металлов. Например, никеля, который поставляется потребителям в виде маломерных пластин, размером от 25x25 мм до 100x100 мм, что повышает его потребительские качества. Получают эти пластины путём резки листов катодного никеля размером 985х885х(4...12) мм.

Учитывая сравнительно большой объём производства в данной работе, в основном, рассматриваются вопросы, связанные с повышением эффективности производства маломерных пластин из листов катодного никеля.

Процесс получения маломерных пластин на современных линиях включает две раздельные операции: продольная резка листов на узкие полосы и последующая поперечная резка этих полос на пластины. На этих линиях используются два последовательно установленных блока режущего оборудования и большой состав вспомогательного оборудования для увязки их совместной работы. В итоге, они занимают значительные площади; затруднена автоматизация процесса.

Перспективным для получения маломерных пластин является использование принципа однооперационной резки, при котором продольная и поперечная резка листов осуществляется одновременно в одном режущем блоке (одно-операционный блок резки). Линии резки, созданные на базе однооперационных блоков будут иметь меньший состав оборудования, будут более компактными и производительными.

Для внедрения принципа однооперационной резки в производственную практику необходимо разработать рациональные, технологичные конструкции однооперационных блоков резки и разработать методы расчета их параметров. Работа, направленная на решение этих задач, является весьма актуальной.

Цель работы - совершенствование процесса и оборудования для резки штучных листов на маломерные пластины на базе принципа однооперационной резки.

Задачи исследований:

1. Разработать рациональные конструкции однооперационных блоков резки с электромеханическим и гидравлическим приводом.

2. Усовершенствовать методику расчета силовых параметров при холодной резке металлических листов наклонными ножами.

3. Разработать методику расчета силовых и конструктивных параметров блоков резки.

4. Спроектировать и провести опытно-промышленные и лабораторные испытания разработанных конструкций блоков резки.

Основные положения, выносимые на защиту и отражающие личный вклад автора:

1. Разработанные конструкции однооперационных блоков резки с вращательным и поступательным движением ножей (однобарабанный и штампового типа), в которых совмещены операции поперечной и продольной резки, необходимые при раскрое штучных листов на маломерные пластины (карточки).

2. Уточненная методика расчета усилия резания при холодном резании наклонными ножами, на основе новой модели распределения касательного сопротивления по длине зоны резания.

3. Методы расчета силовых и основных конструктивных параметров одно-барабанных блоков резки разработанных конструкций.

4. Результаты лабораторных и опытно-промышленных испытаний однооперационных блоков резки.

Научная новизна:

1. Разработан принцип однооперационной резки штучных листов на маломерные пластины, базирующийся на использовании в режущем блоке ножей с тремя взаимно-перпендикулярными режущими кромками, что достигается выполнением неподвижного ножа в виде гребенки с прямоугольными пазами и выступами, а подвижных ножей - в виде пластин, имеющих размеры карточек, вырезанных из листа.

2. Получены новые зависимости расчёта усилий резания при холодном резании наклонными ножами широких и узких полос, в основу которых положена квадратичная зависимость касательного сопротивления резанию от относительного внедрения ножей в полосу, что значительно повышает точность расчетов.

3. Разработаны методики расчёта силовых параметров блоков резки (однобарабанный и штампового типа), в основу которых положен принцип однооперационной резки (совмещение операций продольной и поперечной резки) и новые зависимости усилий резания наклонными ножами.

4. Разработаны методики расчёта конструктивных параметров агрегатов с однобарабанным блоком резки и агрегатов с блоком резки штампового типа.

Методы исследования и достоверность результатов работы:

Представленные в работе комплексные исследования опираются на современные методы проектирования машин, базой которых являются математические методы исследований, критерии работоспособности и расчета деталей машин. Достоверность результатов работы подтверждают лабораторные и опытно-промышленные испытания, при которых использовались известные достоверные методы измерений силовых и кинематических параметров механического оборудования.

Теоретическая и практическая значимость работы: 1. Теоретическим анализом получены уточненные зависимости для расчета усилия резания наклонными ножами. Сравнительными расчетами установлено, что известная методика, по сравнению с разработанной, дает завышение расчетных усилий до 50%, что подтверждается экспериментальными исследованиями лабораторных установок и опытно-промышленных агрегатов.

2. Разработаны технологичные конструкции однобарабанных блоков резки с электромеханическим приводом, в которых барабан выполнен в виде дисков с выступами (ножами), расположенных по винтовой линии.

3. Разработаны технологичные конструкции блоков резки штампового типа с каскадным расположением подвижных ножей (пуансонов).

4. Разработана рациональная схема подачи штучных листов в зону резания и фиксации их при резании, которая основана на совмещении подающего устройства с блоком резки, при котором масса листа создает движущую силу при его подаче, а элементы блока резки используются в качестве упоров при его фиксации.

5. Как показывают расчеты, линия резки с однобарабанным блоком будет иметь примерно в семь раз большую удельную производительность (т/т. оборудования), по сравнению с известными линиями двухоперационной резки.

Реализация работы:

- Спроектирован, изготовлен и испытан в лабораторных условиях агрегат с блоком резки штампового типа и гидравлическим редукторно-мультипликаторным приводом для резки листов толщиной до 4 мм на карточки размером 25x25 мм.

- Спроектированы, изготовлены и испытаны в производственных условиях агрегаты с однобарабанным блоком резки и электромеханическим приводом, обеспечивающих резку листов катодного никеля на карточки размером 50x50 мм и размером 95x95 мм. Испытания первого проводились на Норильском горно-металлургическом комбинате, второго — на комбинате «Североникель».

Апробация работы. Основные положения и отдельные разделы работы докладывались и обсуждались на региональной научно-технической конференции "Крайний север - 96. Технологии, методы, средства" (Норильск, 1996 г.), на всероссийской - научно-технической конференции "Прогрессивные технологии обработки металлов давлением в машиностроении" (Иркутск, 1996 г.), на ежегодных научно-технических конференциях НорИИ (1991-2009 гг.), на второй региональной научной конференции молодых учёных, преподавателей, аспирантов «Научный потенциал Норильского промышленного района - XXI век» (Норильск, 2009 г.), 6-я Международная металлургическая конференция «Ме-таллургия-ИНТЕХЭКО-2013», г. Москва, март 2013г.

Публикации. Основные положения диссертации опубликованы в 13 работах, в том числе 6 статей, 5 авторских свидетельств и 2 патент на изобретение.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных итогов и выводов, библиографического списка и приложения. Изложена на 152 страницах машинописного текста, включающего 48 рис., 6 табл., библиографический список из 98 наименований.

1. ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована цель и определены задачи исследования, сформулированы новизна и практическая ценность работы.

В первой главе приведен анализ известных технологических процессов и оборудования, используемых при резке листов катодного никеля на заводах цветной металлургии и при резке металлических листов на прямоугольные пластины в машиностроении.

Основной принцип работы существующих линий резки листов катодного никеля - двухоперационный. Кажущееся упрощение технологии, за счет разделения резки на две несложные операции, на самом деле приводит к использованию большого количества оборудования и усложняет управление процессом.

Оборудование, обеспечивающее резку заготовок из листовых материалов и используемое в машиностроении, по принципу работы можно разделить на две группы: линии, работающие по принципу двухоперационной резки, и установки (устройства), работающие по принципу однооперационной резки.

Установки однооперационной резки имеют блок резки, обеспечивающий совмещение операций продольной и поперечной резки, необходимых для резки заготовок. По конструкции этого блока их можно разделить на:

- однобарабанные, имеющие блок резки, выполненный в виде неподвижного ножа и подвижных ножей, закрепленных на вращающемся барабане;

- устройства на основе штампов для вырубки пластин, имеющие блок резки, выполненный в виде неподвижной матрицы и подвижных ножей-пуансонов.

Выполненный анализ показал, что ни одно из известных однооперацион-ных устройств не может быть непосредственно использовано для резки штучных листов на маломерные заготовки, ввиду наличия в их конструкциях существенных недостатков. При этом каждое их рассмотренных устройств имеет несколько недостатков из полной их совокупности, приведенной ниже:

- для однобарабанных устройств - действие больших усилий резания; трудность подачи и фиксации при резке штучных листов; изгиб листов при резке в диапазоне толщин катодного никеля (4... 12 мм) и в диапазоне необходимых размеров заготовок (25x25... 100x100 мм), вследствие того, что на отдельных этапах и в отдельных зонах лист режет только одна кромка подвижного ножа без опоры на кромку неподвижного ножа. Последнее делает эти устройства практически неработоспособными;

- для устройств на основе штампов - действие больших усилий резания; сложность конструкции; трудность шаговой последовательной подачи штучных листов в зону резания; трудность фиксации листов при резке (особенно при первой и последней подачах); наличие соединительных перемычек смежных заготовок.

На основе анализа известных устройств выявлены конструктивные решения, представляющие интерес для дальнейших разработок:

- для однобарабанного режущего устройства — выполнение неподвижного ножа в виде гребенки с прямоугольными пазами и выступами; смещение ножей по винтовой линии барабана;

- для устройств на основе штампов - расположение ножей-пуансонов в шахматном порядке в двух смежных рядах.

Выполненный сравнительный анализ позволил принять принцип одно-операционной резки в качестве базового направления в создании оборудования для резки штучных листов на маломерные заготовки.

Во второй главе представлены разработки однооперационных блоков резки и созданных на их основе агрегатов резки.

При производстве маломерных заготовок из листов выполняются основные операции продольной и поперечной резки и взаимосвязанные с ними подача листов в зону резания и уборка заготовок из зоны резания, а также система вспомогательных транспортных операций и операций по затариванию продукции.

Разрабатываемый агрегат однооперационной резки штучных листов катодного никеля на маломерные заготовки создается для выполнения основных операций и потому при проектировании рассматривается как комплекс оборудования, состоящий из однооперационного блока резки, привода, устройства для подачи листов в зону резания и уборки заготовок.

По аналогии с базовыми однооперационными режущими устройствами разрабатываемые однооперационные блоки резки разделили на два вида: одно-барабанный и блок резки штампового типа. При этом для однобарабанного блока рациональным является использование электромеханического привода, а для блока резки штампового типа - гидравлического привода.

Основные принципы проектирования и создания агрегатов одноопераци-оннои резки в работе изложены как требования к разрабатываемому оборудованию и охватывают вопросы обеспечения устойчивости процесса резания и повышения производительности, снижения габаритов и массы оборудования, снижения капитальных и эксплуатационных затрат, технологичности конструкций.

При разработке однобарабанного блока резки были использованы известные решения — это выполнение неподвижного ножа в виде гребёнки (нож-гребёнка) с прямоугольными пазами и выступами и смещение подвижных ножей по винтовой линии барабана.

Предложено барабан изготавливать в виде чередующихся дисков двух размеров по диаметру, закрепленных на общем валу шпонками. Подвижные ножи (их размер соответствует размеру вырезаемых заготовок) закреплены на выступах, а их смещение по винтовой линии барабана достигается последовательным угловым смещением дисков. В проекции на плоскость ножи имеют шахматное расположение.

Разработан вариант агрегата резки на основе совмещения блока резки с подающим устройством, в котором движущая сила при подаче создается массой листа (рис. 1). Для обеспечения цикличности процесса резки блок оборудо-

ван рычажным прижимом-фиксатором и устройством для «шевеления» листа перед подачей.

При работе агрегата лист, предварительно уложенный на подъемно-поворотный стол 8, при подъеме и повороте последнего с помощью пневмоци-линдров 6 и 7 по направляющему столу 5 попадает в зону резания между неподвижным ножом 2 и прижимной гребенкой 3. При вращении барабана I подвижные ножи 4 большего диаметра вырезают на листе гребёнку, а ножи 9 меньшего диаметра обрезают выступы гребенки листа. В обоих случаях вырезаются пластины заданного размера. Одновременно, при вращении барабана рычаги 10 рычажно-прижимного устройства вместе со штангами 11 и прижимной гребенкой совершают колебательные движения, что обеспечивает прижим листа усилием пружин 12 при резании или его освобождение при подаче. При прижиме листа упруго прогибается верхняя полка уголка 13 на величину превышения её над поверхностью ножа 2 и совершается процесс резания вращающимися ножами с образованием заготовок, которые падают на устройство 14 для их уборки. При освобождении листа пружинами 12 прижимная гребёнка 3 смещается вверх и лист усилием упругого прогиба верхней полки уголка 13 отрывается от режущих элементов ножа-гребёнки 2 и свободно, под действием составляющей силы, создаваемой массой листа, скользит в зону резания на величину подачи.

Рисунок 1. Схема агрегата с однобарабанным блоком резки

При разработке блока резки штампового типа принят вариант расположения ножей-пуансонов в шахматном порядке в двух смежных рядах. Это позволило применить матрицу (неподвижный нож), выполненную в виде ножа-гребёнки, как у однобарабанного блока. Ножи-пуансоны первого ряда перекрывают сверху пазы ножа-гребёнки, а ножи-пуансоны второго ряда примыкают к лобовым плоскостям её выступов. Пуансонодержатель состоит из двух гребёнок, в пазах которых и располагаются ножи-пуансоны.

Разработан также вариант агрегата резки с совмещением данного блока резки с устройством для подачи листов в котором сила веса листа является движущей (рис. 2).

При работе агрегата лист 14, уложенный на поворотный стол 1, при повороте последнего сползает по наклонному столу 2, направляющим 3 и матрице 4 до неподвижных упоров 13. При движении пуансонодержателя 9 с пуансонами 5 по направляющим 10 вниз пуансоны первого ряда б (пробивные пуансоны) во взаимодействии с режущими кромками пазов 12 матрицы вырезают пластины 15. После первого и последующих ходов пуансонов на переднем конце листа образуются выступы и пазы (гребенка листа), соответствующие пазам и выступам матрицы.

Рисунок 2. Схема агрегата с блоком резки штампового типа

При возврате пуансонов в верхнее исходное положение лист перемещается вниз до контакта основаниями своих пазов с упорами 13. При этом выступы листа войдут в зону пуансонов ряда 7, а новая зона листа перекроет зону пуансонов ряда б. При этом пуансоны ряда 7 (отрезные пуансоны), взаимодействуя с режущими кромками выступов 11 матрицы, срезают выступы листа, образуя пластины 16 и элементы кромок 17, а пуансоны ряда 6 снова формируют гребенку листа, вырезая пластины 15. При последующих рабочих ходах пуансонов процесс вырезки пластин повторяется. Во всех случаях пластины попадают в систему устройств 18 для их уборки.

В третьей главе изложены результаты исследований усилий при холодном резании широких и узких полос наклонными ножами.

Данный процесс резания имеет место при работе двух разработанных од-нооперационных блоков резки и потому основной задачей этих исследований являлось уточнение методики расчета усилий резания.

Известная методика оценки усилий резания наклонными ножами базируется на допущении, что касательное напряжение при резании (г) постоянно по всей длине зоны резания и имеет максимальное значение. При расчёте усилия резания узких полос не учитывается также угол наклона ножей. Все это приводит к значительному завышению расчётных величин.

При резании наклонными ножами волокна металла имеют различное напряженное состояние по длине зоны резания и для точного определения усилия резания необходимо знание зависимости т = /(с), где г - касательное напряжение при резании; е - относительное внедрение ножей.

Для сравнения на рис.3 сплошной линией показан характерный вид зависимости Р = /(е), полученный экспериментально при резании параллельными ножами, где Р - усилие резания.

И на участке вмятия ножей в полосу, и на участке резания - это нелинейные зависимости. Предложено представлять их в виде:

Р = Р^(2еев-ег)Увгя\ где максимальное значение усилия резания; ев— коэффициент вмятия.

Данная зависимость (пунктирная линия на рис.3) представляет собой квадратичную параболу с вершиной в точке А (ев, Рт„) и в определенной степени соответствует экспериментальным кривым.

Рисунок 3. График зависимостей р = /(е) и г = /(е)

Анализ экспериментальных данных показывает, что при холодном резании всегда ен <2ев, где ен — коэффициент надреза. Это позволяет использовать предложенную зависимость на участке вмятия и на участке резания. В результате имеем непрерывную функцию р = /(с) с пределами изменения е от 0 до

£„.

С использованием предложений зависимости, применительно к параллельным ножам, определили величину касательного сопротивления резания при условии, что:

^■ = (1 -е)ьи;

гДе гтах— максимальное значение касательного сопротивления резанию; F-площадь «живого» сечения полосы; Ъ - ширина полосы.

Исходя из того что, г = , получили зависимость т = Де):

Л^Л1-^)!2^«-« м ,, чП (1)

го-^)]

Данная зависимость также представляет собой квадратичную параболу с вершиной в точке В {ев, тт<а) (рис. 3).

Используя эту зависимость, выведены формулы для расчёта усилий резания наклонными ножами отдельно для случая резки узких и широких полос. Для этого принят параметр еа =(btg(p)/h, где Ь - ширина полосы, <р - угол наклона ножей, Л - толщина листа. Для широких полос еа > е„, для узких полос еа<ен.

При резании узких полос:

р = **'г (1-*,) + в , _ + ^у _ 3 2 + ,3. (2)

з е&<р

При резании широких полос:

р=к!г\■ (Х-е„)е1 (3)

3 е&д>

где к - коэффициент, учитывающий затупление ножей, боковой зазор, изгиб полосы; гг0 - наименьшая величина относительного внедрения по ширине узкой полосы; е„ - коэффициент надреза.

Максимальное значение усилия резания узкой полосы соответствует оптимальному значению величины:

е°"т = (2ей-е11)/2. (4)

В соответствии с известной методикой для расчёта усилий резания Рк наклонными ножами используются зависимости: при резании узких полос:

Р>=*Ы,Тш,(1-ея); (5)

при резании широких полос:

Я, =Ы2гшжвя(2-вя)/(2®?»). (6)

Сравнительные расчеты по этим и полученным зависимостям, с использованием опытных значений коэффициентов ев и ен, подтвердили, что известная методика дает значительные завышения расчетных усилий.

Теоретические выводы о соотношении Рк/Р проверены экспериментально. Исследования проводили на гидравлической разрывной машине с усилием 100 кН с использованием режущего устройства и приспособления, обеспечивающего установку режущего устройства на разрывной машине.

В четвертой главе изложены положения, связанные с проектированием, созданием и исследованием однооперационных агрегатов резки с электромеханическим приводом. Основу этих агрегатов составляет однобарабанный режущий блок (рис.1). Для этого блока разработаны методики расчета силовых и конструктивных параметров.

При расположении подвижных ножей в двух рядах по винтовой линии барабана максимальные усилия действуют при резании одним ножом 1 первого ряда (рис. 4) и представляют собой сумму усилий на двух или на трех парах

кромок (1 п,н - 3 п,н). При этом одна пара кромок занимает как бы базовое положение и усилие резания на ней определяется с использованием зависимостей (2) и (3) при наклонных кромках и зависимости (5) при параллельных кромках (параллельными могут быть кромки поперечной резки 2н и 2п). Положение остальных пар кромок увязывается с этим базовым положением. Изложены условия суммирования усилий резания и оценки углов наклона (<рт) режущих кромок (рис. 4).

Рисунок 4. Схема взаимодействия ножей большого диска с полосой и к оценке

угловой ориентации кулачковых и ножевых дисков 1 - подвижной нож; 2 - лист; 3 - неподвижный нож; 4 - кулачковый диск; 5 - шпонка; 6 -ролик опоры рычага прижимного устройства; 1н, 2н, Зн- кромки неподвижного ножа; 1п, 2п, Зп- кромки подвижного ножа

Ножи второго ряда режут одной лобовой кромкой при взаимодействии с кромками 4н (рис. 4). При этом кромка подвижного ножа может быть выполнена с наклоном к образующей барабана или параллельно ей. С учётом этого и выбирается расчётная зависимость.

Работоспособность блоков резки и достоверность расчетных зависимостей силовых параметров проверяли на лабораторных установках.

Исследуемая установка с однобарабанным блоком имела ножевые диски диаметром 250 мм и 200 мм и обеспечивала вырезку заготовок с размером стороны 25 мм при толщине листов до 4,5 мм. Измерение усилия резания выполняли косвенно по мощности, развиваемой приводным электродвигателем.

Для однобарабанного блока резки разработаны конструкции рабочих узлов и изложена методика расчёта, которая включает расчёт параметров ножевых дисков и условий их взаимной ориентации (данный расчет согласуется с расчётом вала); расчёт параметров кулачковых дисков прижима-фиксатора и условий их ориентации с ножевыми дисками; расчёт силовых параметров прижима-фиксатора; расчёт условий компоновки блока с подающим устройством.

При толщине дисков, равной размеру стороны заготовки а, размеры дисков по диаметру, определяются прочностью кольца меньшего диска и прочностью вала барабана. Для определения диаметра d вала и наружного диаметра кольца D меньшего диска решаем систему уравнений:

Pi(D + 4a)-0,4d1[r] = 0 4PM(D + 2a)-[<T]a(D2-kfd2) = 0 где Рб и Ри - усилие при резании соответственно ножами 1-ого и 2-ого ряда; [г] - допускаемое касательное напряжение для материала вала; [ст] - допускаемое нормальное напряжение для материала диска; kt - коэффициент, учитывающий наличие шпоночного паза.

Систему уравнений (7) решали приближёнными методами с использованием ЭВМ. При известном D наружные диаметры ножевых дисков: De=2R6=D + 4a; DM = 2RU =D + 2a.

Рассматривая выступ на диске как консоль длиной а, из условия прочности на изгиб и срез определяли его высоту hB.

ha=pB+jAl+4Bg , (8)

где Ад =ЗР2/(а2[ег]2), Вв = 36Р2 /(а2[ст]2) - обобщённые величины; Р = Рб - для большого диска, Р = Рм - для меньшего диска.

При известной величине hB и толщине ножа 1г„, размер угловой зоны <рн, приходящийся на нож и выступ,

<рп = arcsin(/i„ / R) + arctg(h„ / R), (9)

где R - радиус диска.

Угловое смещение ножей смежных дисков Д<р,

Ь<р = 2ДЛ / DM, (Ю)

где Дh - линейное смещение ножей.

Для надёжности разделения заготовок ДА выбираем из условия -

£пК„ ^ АЛ </!„,„, где Лтах - максимальная толщина листа.

Следовательно, угловая зона группы выступов с ножами на барабане, осуществляющих резку листа за одну подачу (зона резания <рр), равна

<pp=A<p(z-l) + <pH =b<p[fix(.B^Ja + l)] + <pH, (11)

при числе дисков на барабане z = fix(BK/a + 2), принимается с учётом резки кромок листа, где fix - функция, отделяющая целую часть числа; Дд - ширина листа; а - размер стороны заготовки.

Угловая зона группы впадин (зона подачи <ра) на барабане

Vn =V*-<Ppzh)zH> (12)

где z„ - число выступов (ножей) на диске.

Взаимная угловая ориентация выступов и шпоночных пазов различна для каждого диска и определяется углом (отсчитывается от оси паза до опорной плоскости ножа, расположенного в диаметральной плоскости диска):

<p,=<p, ±A<p(i-l),

где щ - угол смещения пазов и выступов для 1-ого диска (принимается, рис. 4); / - порядковый номер диска.

У кулачковых дисков, как и у ножевых, по окружности чередуются впадины и выступы. При этом, угловому размеру зоны резания на барабане соответствует угловой размер tp^ впадин на кулачковом диске, а угловому размеру зоны подачи на барабане - угловой размер <рш выступов на кулачковом диске.

Для повыщения надёжности подачи листа и его удержания в период резания угловую зону впадин на кулачковом диске увеличиваем, а угловую зону выступов соответственно уменьшаем на величину угла угловой зоны листа <ph = arcsin(/imax / Л), по отношению к размерам соответствующих угловых зон на барабане, и переходы от впадин на кулачковом диске выполняем в угловой зоне выступов. Тогда

<Ppt = <Рр +<Рк ; <Рп£ = <Рп -«'л ; 7 = <Рт -2а0, (13)

где у - угловая зона, соответствующая свободной подаче листа; а0 - угловая зона перехода от впадин к выступу.

«o=[V*n-(Д„-Йя)2]/Ля, (14)

где Дп - радиус подшипниковой опоры (поз. 6, рис. 4); /?„ - радиус расположения центра опоры; RB - радиус выступов дисков.

Необходимая ориентация кулаковых и ножевых дисков определяется острым углом <рш между осями шпоночного паза и выступа кулачкового диска (рис. 4),

9а = 2пIz„—я!4±ф1+ <ррН + <png /2, (15)

где <ррИ = (Ля + hmm ±h„)/RM - угол начала резания; размер (±Л0) на рис. 4; -<р, -при отсчёте угла по направлению вращения барабана; +q>, - при отсчёте против направления вращения барабана.

Угол а наклона столов подающего устройства и угловая скорость а> вращения барабана должны отвечать требованию t6<th, где t6 - время поворота барабана на угол у; <Л - время перемещения листа на величину подачи а.

Для электромеханического привода блока резки разработана методика расчета мощности приводного двигателя по эквивалентному моменту.

В работе приведено описание двух агрегатов с однобарабанным блоком резки обеспечивающих резку листов никеля толщиной до 10 мм на карточки 50x50 мм и 95x95 мм.

В пятой главе изложены положения, связанные с проектированием, созданием и исследованием однооперационных агрегатов резки с гидроприводом. Компоновка этого агрегата соответствует рис.2. Основу этого агрегата составляет блок резки штампового типа, в котором используются подвижные ножи-пуансоны, расположенные в шахматном порядке в двух смежных рядах и взаимодействующие с неподвижным ножом-гребенкой. На рис. 5 показан спроекти-

рованный блок для вырезки пластин размером 32x32 мм, состоящий из силового блока 1, блока режущего инструмента 2 и прижима-выталкивателя 3.

Силовой блок - многоцилиндровый, бесстанинной конструкции, состоит из неподвижной траверсы 4, подвижной - 5, четырех рабочих плунжерных цилиндров б и двух возвратных цилиндров 7.

Рисунок 5. Общий вид блока резки

Корпуса рабочих цилиндров закреплены на подвижной траверсе, а ступенчатые плунжера, закрепленные на неподвижной траверсе, выполняют роль стоек станины. Данная конструкция удобна для установки блока режущего инструмента и имеет небольшие габариты по высоте.

Прижим-выталкиватель обеспечивает прижим листа при резке и выталкивание выступов листа из зоны ножей-пуансонов при их подъеме. Состоит из двух цилиндров, неподвижной траверсы 9, двух стоек 10 и подвижной траверсы 11 с упорами.

Для обеспечения условий разделения смежных пластин смежные ножи пуансоны смещены по высоте на величину Л > ■ £,,.

Учитывая возможность получения значительных усилий при использовании гидропривода, установленные ножи-пуансоны имеют торцовые рабочие плоскости расположенные перпендикулярно продольной оси и их размеры равны размеру вырезаемых пластин. Это упрощает восстановление режущих кромок и уменьшает величину рабочего хода. Процесс резания осуществляется параллельными кромками ножей. Тогда усилие резания Р, пробивным ножом-пуансоном,

Р, =З^Лт„(1-£аК 06)

и Р0 - отрезным ножом-пуансоном,

^ =«Ч,„ 0-£>я (!7)

где а — размер стороны вырезаемой пластины, <т„ = 400 + 500 МПа- предел прочности никеля.

С учетом обеспечения резки кромок листа, общее число ножей-пуансонов,

г = ЖВА/сс + 2). (18)

При большом числе ножей-пуансонов целесообразна их установка несколькими одинаковыми каскадами симметрично расположенными относительно центральной оси. При этом два внутренних каскада имеют общий центральный нож-пуансон (отрезной или пробивной). Общее число каскадов гк четно и определяется как

=(2 + 1 )/2„, (19)

где 20 - число ножей-пуансонов в каскаде.

Целесообразно в одном каскаде устанавливать нечётное число ножей-пуансонов. Это обеспечивает уменьшение суммарного максимального усилия резания , которое в этом случае определяется как:

=2{Р„М(2„ +2)/4] +Р0М(гк + 2)14,5]}. (20)

Блок резки, представленный на рис. 5, имеет 6 каскадов, состоящих из пяти ножей-пуансонов.

При определении полного максимального усилия Рс, необходимого для перемещения ножей-пуансонов при рабочем ходе, нужно учитывать и дополнительное усилие Ра для проталкивания пробивных ножей-пуансонов между выступами листа:

Р,=кт{г-\)Рп12, (21)

где кт = 0,05...0,1 и

Рс=Р^+Ра (22)

В работе приведены также зависимости для определения распорного усилия Рр и усилия Рв, необходимого для выталкивания выступов листа при обратном ходе.

Полный ход Н ножей-пуансонов определяется как

Я=(2о-1)Й + А1П„+С1+^, (23)

где Сх = 15...30 мм - минимальная высота от нижнего ножа-пуансона до листа; <1Х = 3...5 мм — перекрытие неподвижного ножа и верхнего ножа-пуансона в конце резания.

Анализом основных рабочих параметров блока резки показана рациональность использования маслонасосного привода. Проанализированы системы синхронизации с учётом условий приложения сил резания, на основе чего обосновано использование двойного мультипликатора для синхронизации движения цилиндров силового блока при рабочем ходе. Одновременно мультипликатор используется по прямому назначению, для повышения давления, что целесообразно при насосном приводе.

Для обеспечения синхронизации во все периоды движения силового блока в схему введен редуктор (холостой ход) и принят способ зарядки редуктора и мультипликатора возвратным ходом силового блока. Разработана новая схема редукторно-мультипликаторного насосного привода, представленная на рис. 6.

В приводе используется силовой блок (а) с рабочими цилиндрами 1 и возвратными цилиндрами 2, редукторно-мультипликаторный блок (б), блок управления (в) и насосная станция 3 с насосами постоянной подачи. При холостом ходе жидкость от насосов поступает через распределители 4, 5 и б в цилиндр с плунжером <1,, редуктора 8 и из цилиндров с плунжерами йр вытесняется в рабочие цилиндры 1 силового блока через распределители 9. Из возвратных цилиндров 2 жидкость сливается через распределители 12 и 4.

При рабочем ходе жидкость от насосов через распределители 4, 5 и 10 поступает в цилиндр с плунжером Ом мультипликатора 11 и вытесняется из цилиндров с плунжерами с/„ в рабочие цилиндры 1. При этом распределители 9 отключают редуктор от зоны высокого давления.

При возвратном ходе жидкость от насосов поступает в возвратные цилиндры 2 через распределитель 4 и обратный клапан 14 и вытесняется из рабочих цилиндров 1. Вытесняемая жидкость используется для зарядки редуктора и мультипликатора. Сначала происходит зарядка редуктора (жидкость из цилиндров 1 поступает в цилиндры редуктора с плунжерами йр и вытесняется из цилиндра с плунжером <1Р на слив через распределители 6 и 12), а затем - мультипликатора (жидкость поступает в цилиндры мультипликатора с плунжерами >1и и вытесняется из цилиндра с плунжером Пм на слив через распределители Юн 15).

Сигналы на переключение режимов работы поступают от датчиков контроля положения подвижных элементов силового блока, мультипликатора и редуктора (на схеме не показаны) и от реле давления 13 и 16. Разработана электросхема, которая совместно с гидросхемой обеспечивает автоматическую работу агрегата.

Для редукторно-мультипликаторного привода разработана соосная конструкция редуктора и мультипликатора с подвижными дозирующими цилиндрами. Такая конструкция обеспечивает благоприятные условия силового на-гружения и позволяет легко устанавливать коэффициент редукции кр, для редуктора, и коэффициент мультипликации км, для мультипликатора.

кр = <1гР /(20р); км = №1), (24)

где ¿Р, ¿м, Од, Ом - соответственно диаметры плунжеров цилиндров редуктора и мультипликатора (рис. 6).

По аналогии с редуктором и мультипликатором введено понятие коэффициент усиления силового блока,

кс = /г/(2/г0), (25)

где Р - общая площадь плунжеров рабочих цилиндров; Г„ - площадь плунжера возвратного цилиндра.

Указанные коэффициенты к , км и кс приняты как исходные величины для расчёта параметров редуктора, мультипликатора и возвратных цилиндров силового блока. В свою очередь, для определения этих коэффициентов выполнен анализ холостого, рабочего и возвратного хода силового блока.

Принятые конструктивные решения и методы расчётов проверены на лабораторной установке агрегата, привод которого выполнен на основе пластинчатого насоса БГ-12-41, обеспечивающего подачу в количестве 10,4 л/мин при максимальном рабочем давлении 10 МПа.

т. <

с

¡-«Ун 1

■ н', Зр

-Н*

<<

Т

ЗгГ _г

в

I

'5

да

г

(*)

Рисунок 6. Схема насосного редукторно-мультипликаторного гидропривода:

а) силовой блок, б) редукторно-мультипликаторный блок, в) блок управления

Силовой блок установки имеет четыре рабочих цилиндра с суммарной площадью плунжеров ^=126,4 см2 и два возвратных с площадью плунжера ^0=44,2 см2 (к= 1,43). В блоке режущего инструмента установлено 11 ножей-пуансонов размером 25x25 мм двумя каскадами. Ход силового блока - 30 мм.

Мультипликатор имеет км= 2, при котором скорость рабочего хода -Ур=6,5 мм/с; редуктор с кр =0,4 обеспечивает скорость холостого хода К, =33 мм/с. Установка режет листы никеля толщиной до 2 мм и стали - до 3 мм в автоматическом режиме.

ОСНОВНЫЕ ИТОГИ И выводы

1. На основе классификации и анализа работы известного оборудования определенно рациональное направление в проектировании агрегатов для резки листов на маломерные прямоугольные пластины, в соответствии с которым аг-

регат рассматривается как совокупность однооперационного блока резки, его привода и устройства для подачи штучных листов в зону резания.

2. Разработаны рациональные конструктивные схемы агрегатов с однобара-банным блоком резки для сочетания с электроприводом и агрегата с блоком резки штампового типа для сочетания с гидроприводом. Устройства для подачи листов в зону резания в обоих случаях выполнены в виде наклонно-поворотных столов с системой прижима и «шевеления» листа при резании.

3. Сформулирована и решена задача определения усилий резания наклонными ножами широких и узких полос на основе квадратичной зависимости касательных напряжений по длине зоны резания от относительного внедрения ножей.

4. На основе уточнённых формул расчёта усилий резания наклонными ножами предложена методика расчёта силовых параметров однобарабанного блока резки для случая одновременной вырезки одной пластины. Достоверность методики подтверждена измерениями усилий резания при испытаниях лабораторных установок и опытно-промышленных агрегатов.

5. Для барабана блока резки выполненного как совокупность установленных на валу ножевых и кулачковых дисков предложена методика расчёта параметров дисков и их угловой ориентации.

6. Для блока резки штампового типа обосновано применение многокаскадной установки ножей пуансонов с расположением каскадов, состоящих из нечётного числа пуансонов, симметрично относительно продольной оси листа. Для этого случая предложена методика расчёта усилий резания, количества и условий ориентации каскадов, числа пуансонов в каскаде, величины их хода.

7. В качестве привода блока резки штампового типа обосновано использование мультипликаторного маслонасосного привода с многоцилиндровым силовым блоком. Для повышения его эффективности обосновано использование в системе управления гидравлического редуктора, что обеспечивает снижение установочной мощности насосов.

8. Разработана рациональная схема редукторно-мультипликаторного привода двухцилиндрового силового блока, в котором рабочий ход обеспечивается двойным мультипликатором, холостой ход - двойным редуктором, а их зарядка осуществляется обратным ходом силового блока. Этим обеспечивается синхронная работа цилиндров силового блока на всех этапах.

9. Предложена методика расчёта параметров двойного мультипликатора, двойного редуктора и возвратных цилиндров силового блока, которые базируются соответственно на определении коэффициента мультипликации, коэффициента редукции и коэффициента усиления силового блока.

10. Спроектированы, изготовлены и испытаны агрегаты с однобарабанным блоком резки для резки листов катодного никеля толщиной до 10 мм: на НГМК - для резки на пластины размером 50x50 мм; на комбинате «Североникель» -для резки на пластины размером 95x95 мм. Испытания подтвердили их работоспособность.

11. Разработан, изготовлен и испытан в лабораторных условиях агрегат, имеющий блок резки штампового типа и редукторно-мультипликаторный насосный привод, обеспечивающий резку листов никеля толщиной до 3 мм на пластины размером 25x25 мм. Испытания подтвердили работоспособность агрегата в автоматическом режиме.

Основные положения диссертации опубликованы в следующих работах:

Издания рекомендованные ВАК

1. Потапенков А.П., Чернобай В.М., Серебренников Ю.Г. Установка для резки никелевых катодов на карточки / Цветная металлургия.-1993. № 1, с.35-39.

2. Потапенков А.П., Серебренников Ю.Г., Пилипенко С.С., Степанов С.М. Исследование усилий резания металлических листов // Известия вузов. Чёрная металлургия. - 2009. № 11, с.56-59.

3. Потапенков А.П., Пилипенко С.С., Серебренников Ю.Г., Степанов С.М., Сосновская Л.В. Разработка и исследование редукторно-мультипликаторного привода металлургических машин // Известия вузов. Чёрная металлургия. -2009. № 8. с.54-59.

4. Пилипенко С.С., Серебренников Ю.Г., Потапенков А.П. и др. Методика расчёта силовых параметров и гидропривода листовых ножниц // Производство проката. -2013. № 3, с.43-48.

Прочие издания

5. A.C. № 1655670 СССР. МКИ5 В23Д 31/00. Устройство для вырезки деталей из листового материала / А.П. Потапенков, Л.И. Данилов, Д.П. Притыкин, С.Ф. Ершов, В.М. Чернобай, Ю.Г. Серебренников. № 363279/27; Заявлено

13.01.88. Опубл. 15.06.91. Бюл. № 22.-4с.

6. A.C. № 1614293 СССР. МКИ5 В21Д 28/14. Штамп последовательного действия для вырубки прямоугольных пластин / А.П. Потапенков, С.Ф. Ершов,

B.М. Чернобай, Ю.Г. Серебренников, A.A. Денисенко. № 4700136/31; Заявлено

05.06.89. Зарегистрировано 15.06.90-5с.

7. A.C. № 1704887 СССР. МКИ5 В21Д 28/14. Устройство для малоотходной штамповки плоских прямоугольных деталей / А.П. Потапенков, Л.И. Данилов,

C.Ф. Ершов, В.М. Чернобай, Ю.Г. Серебренников. № 4745776/27; Заявлено 05.10.89. Опубл. 15.01.92. Бюл. № 2.-4с.

8. A.C. № 1773534 СССР. МКИ5 В21Д 28/14. Устройство для последовательной малоотходной вырубки / А.П. Потапенков, В.М. Чернобай, Ю.Г. Серебренников, A.B. Полуянов. № 4913731/27; Заявлено 21.02.91. Опубл. 07.11.92. Бюл. № 41.-6с.

9. Патент № 2011457 РФ, МКИ5 В21Д 28/14. Устройство для штамповки листовых прямоугольных деталей / А.П. Потапенков, В.М. Чернобай, Ю.Г. Серебренников, В.Д. Живага, В.П. Юркин. № 5009352/27; Заявлено 04.07.91. Опубл. 30.04.94. Бюл. № 8.-5с.

10.A.C. № 1761549 СССР. МКИ5 В30В 15/24. Гидравлический пресс / А.П. Потапенков, В.М. Чернобай, Ю.Г. Серебренников, A.B. Полуянов. № 4829769/27; Заявлено 29.05.90. Опубл. 15.09.92. Бюл. № 34.-4с.

11.Патент №2457951. Гидравлический пресс / А.П. Потапенков, С.С. Пили-пенко, Ю.Г. Серебренников и др. Опубл. 10.08.2012. Бюл. № 22

12.Потапенков А.П., Чернобай В.М., Серебренников Ю.Г. Способы обработки катодного никеля / Норильский индустриальный ин-т. -Норильск, 1990-1 Зс.-ДеП. в ЦНИИцветмет экономики и информации 23,03.90г, N1920-90ДеП.

13.Потапенков А.П., Пилипенко С.С., Серебренников Ю.Г., Ермекеев Д.О. Механизация обработки листов катодного никеля. Сборник докладов шестой международной конференции «Металлургия ИНТЕХЭКО-2013», г.Москва, 2013.

Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Норильский индустриальный институт»

На правах рукописи СЕРЕБРЕННИКОВ ЮРИЙ ГЕОРГИЕВИЧ

0420135^449

Совершенствование процесса и оборудования для получения маломерных прямоугольных пластин из штучных листов

Специальность 05.02.13 - Машины, агрегаты и процессы (Металлургия). Технические науки

Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук

Научный руководитель кандидат технических наук Пилипенко Сергей Степанович

Норильск 2013

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ.............................................................................4

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ...............................................................................10

1.1. Оборудование и технологии резки листов катодного никеля на предприятиях цветной металлургии....................................10

1.2. Анализ существующих конструкций агрегатов резки листов на прямоугольные заготовки................................................... 17

1.3. Выводы......................................................................31

2. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И РАЗРАБОТКА КОНСТРУКЦИЙ АГРЕГАТОВ ОДНООПЕРАЦИОННОЙ РЕЗКИ ЛИСТОВ............33

2.1. Основные принципы проектирования и создания агрегатов одноопе-рационной резки............................................................33

2.2. Конструирование агрегатов с однобарабанным блоком резки ... 36

2.3. Конструирование агрегатов с блоком резки штампового типа ... 40

2.4. Выводы........................................................................44

3. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ

ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ ЛИСТОВ НАКЛОННЫМИ НОЖАМИ......46

3.1. Постановка задачи...........................................................46

3.2. Разработка уточненных методов расчета усилий резания..........47

3.3. Экспериментальное исследование усилий резания...................53

3.4. Анализ результатов исследований........................................59

3.5. Выводы........................................................................61

4. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, РАЗРАБОТКА, СОЗДАНИЕ И ИС-

СЛЕДОВАНИЕ ОДНООПЕРАЦИОННОГО АГРЕГАТА РЕЗКИ С ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИМ ПРИВОДОМ...............................62

4.1. Методика расчёта силовых параметров блока резки.................62

4.2. Лабораторные исследования конструкций блоков резки и агрегатов ...................................................................................66

4.3. Методика расчета основных параметров элементов агрегата с одно-барабанным блоком резки................................................69

4.4. Агрегаты резки и их опытно-промышленные испытания.........86

4.5. Выводы.......................................................................93

5. ОСНОВЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ, РАЗРАБОТКИ И ИССЛЕДОВАНИЕ ОДНООПЕРАЦИОННОГО АГРЕГАТА РЕЗКИ С ГИДРАВЛИЧЕ-

СКИМ ПРИВОДОМ.............................................................94

5.1. Методика расчёта основных параметров агрегата....................95

5.2. Методика расчёта основных параметров привода.................. 101

5.3. Лабораторные испытания агрегата.....................................122

5.4. Выводы.......................................................................137

ОСНОВНЫЕ ИТОГИ И ВЫВОДЫ .. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК ПРИЛОЖЕНИЯ

139 141

ВВЕДЕНИЕ

Маломерные прямоугольные пластины, полученные путём резки листов, используются в строительстве при производстве железобетонных и металлических конструкций, в машиностроении. Процесс получения маломерных прямоугольных пластин входит также в состав технологического процесса производства некоторых цветных металлов. Например, никеля, который поставляется потребителям в виде маломерных пластин, размером от 25x25 мм до 100x100 мм, что повышает его потребительские качества. Получают эти пластины путём резки листов катодного никеля размером 985х885х(4...12) мм.

Учитывая сравнительно большой объём производства в данной работе, в основном, рассматриваются вопросы, связанные с повышением эффективности производства маломерных пластин из листов катодного никеля. Высокая прочность и вязкость этого металла приводит к значительным трудностям при его резке, что требует применения специального оборудования и технологических приёмов.

В основе известных линий резки листов на маломерные заготовки лежит принцип двухоперационной резки, согласно которому лист сначала разрезается на узкие полосы (первая операция - продольная резка), а затем полосы разделяют на прямоугольные или квадратные заготовки (вторая операция - поперечная резка). Такие технологические линии имеют сравнительно большой состав основного и вспомогательного оборудования, занимают значительные площади, имеют низкую производительность, трудно поддаются автоматизации из-за неустойчивой работы в автоматическом режиме. Особо следует отметить трудности, которые возникают при передаче узких длинных полос на вторую операцию резки ввиду их коробления; по этой причине одновременно разрезаются одна или две полосы. Удельная производительность указанных линий не превышает 60 т/год на тонну установленного обо-

рудования, а стоимость затрат на резку составляет не менее 3% от стоимости получаемых заготовок.

Более перспективным для производства маломерных заготовок представляется использование принципа однооперационной резки, при котором операции продольной и поперечной резки осуществляются в одном блоке. Это позволит создать более компактные, экономичные и надежные агрегаты резки листов катодного никеля. Однако широкое внедрение агрегатов одно-операционной резки сдерживается из-за отсутствия научно обоснованных конструктивных решений и методик расчета основных параметров. Поэтому тема данной работы, направленной на разработку основ проектирования и создания конструкций однооперационных агрегатов резки листов катодного никеля, является актуальной и представляет значительный теоретический и практический интерес.

Основная цель работы - совершенствование процесса и оборудования для резки штучных листов на маломерные пластины на базе принципа одно-операционной резки.

Для достижения поставленной цели были сформированы и решались следующие задачи:

1. Разработка рациональных конструкций однооперационных блоков резки с электротехническим и гидравлическим приводом.

2. Усовершенствование методики расчёта силовых параметров при холодной резке металлических листов наклонными ножами.

3. Разработка методики расчёта силовых и конструктивных параметров блоков резки.

4. Спроектировать и провести опытно-промышленные и лабораторные испытания разработанных конструкций блоков резки. Сформулированные цель и задачи определяют научную новизну работы и обеспечивают решение важной научно-технической задачи в области машин и агрегатов металлургического производства, имеющей важное науч-

нохозяйственное значение - повышение технико-экономической эффективности оборудования для производства маломерных заготовок из штучных листов.

Основные положения, выносимые на защиту и отражающие личный вклад автора:

• Разработанные конструкции однооперационных блоков резки с вращательным и поступательным движением ножей (однобарабанный и штампового типа), в которых совмещены операции поперечной и продольной резки, необходимые при раскрое штучных листов на маломерные пластины (карточки).

• Уточненная методика расчета усилия резания при холодном резании наклонными ножами, на основе новой модели распределения касательного сопротивления по длине зоны резания.

• Методы расчета силовых и основных конструктивных параметров од-нобарабанных блоков резки разработанных конструкций. Результаты лабораторных и опытно-промышленных испытаний одно-

операционных блоков резки. Научная новизна:

• Разработан принцип однооперационной резки штучных листов на маломерные пластины, базирующийся на использовании в режущем блоке ножей с тремя взаимно-перпендикулярными режущими кромками, что достигается выполнением неподвижного ножа в виде гребенки с прямоугольными пазами и выступами, а подвижных ножей - в виде пластин, имеющих размеры карточек, вырезанных из листа.

• Получены новые зависимости расчёта усилий резания при холодном резании наклонными ножами широких и узких полос, в основу которых положена квадратичная зависимость касательного сопротивления реза-

нию от относительного внедрения ножей в полосу, что значительно повышает точность расчетов.

• Разработаны методики расчёта силовых параметров блоков резки (од-нобарабанный и штампового типа), в основу которых положен принцип однооперационной резки (совмещение операций продольной и поперечной резки) и новые зависимости усилий резания наклонными ножами.

• Разработаны методики расчёта конструктивных параметров агрегатов с однобарабанным блоком резки и агрегатов с блоком резки штампового типа.

Методы исследования и достоверность результатов работы: Представленные в работе комплексные исследования опираются на современные методы проектирования машин, базой которых являются математические методы исследований, критерии работоспособности и расчета деталей машин. Достоверность результатов работы подтверждают лабораторные и опытно-промышленные испытания, при которых использовались известные достоверные методы измерений силовых и кинематических параметров механического оборудования.

Теоретическая и практическая значимость работы:

• Теоретическим анализом получены уточненные зависимости для расчета усилия резания наклонными ножами. Сравнительными расчетами установлено, что известная методика, по сравнению с разработанной, дает завышение расчетных усилий до 50%, что подтверждается экспериментальными исследованиями лабораторных установок и опытно-промышленных агрегатов.

• Разработаны технологичные конструкции однобарабанных блоков резки с электромеханическим приводом, в которых барабан выполнен в

виде дисков с выступами (ножами), расположенных по винтовой линии.

• Разработаны технологичные конструкции блоков резки штампового типа с каскадным расположением подвижных ножей (пуансонов).

• Разработана рациональная схема подачи штучных листов в зону резания и фиксации их при резании, которая основана на совмещении подающего устройства с блоком резки, при котором масса листа создает движущую силу при его подаче, а элементы блока резки используются в качестве упоров при его фиксации.

• Как показывают расчеты, линия резки с однобарабанным блоком будет иметь примерно в семь раз большую удельную производительность (т/т. оборудования), по сравнению с известными линиями двухопера-ционной резки.

Основные результаты работы прошли опытно-промышленное опробование на предприятиях цветной металлургии и в лабораторных условиях:

• для Норильского горно-металлургического комбината (НГМК) разработан рабочий проект агрегата с однобарабанным блоком резки с электромеханическим приводом, по которому был изготовлен агрегат резки листов катодного никеля на прямоугольные пластины размером 50x50 мм; испытания показали, что по производительности он примерно в 3 раза превышает агрегат двухоперационной резки;

• для комбината "Североникель" разработан рабочий проект агрегата с однобарабанным блоком резки с электромеханическим приводом, по которому был изготовлен агрегат резки листов катодного никеля на прямоугольные пластины размером 95x95 мм; испытания показали, что по производительности он в 3,6 раза превышает агрегат двухоперационной резки;

• спроектирован, изготовлен и испытан в лабораторных условиях агрегат с блоком резки штампового типа и гидравлическим редукторно-мультипликаторным приводом для резки листов толщиной до 4 мм на прямоугольные пластины 25x25 мм.

Основные положения диссертации и отдельные разделы работы докладывались и обсуждались на региональной научно-технической конференции «Крайний Север - 96. Технологии, методы, средства» (Норильск, 1996 г.); на всероссийской научно-технической конференции «Прогрессивные технологии обработки металлов давлением в машиностроении» (Иркутск, 1996 г.); на 2-ой региональной научной конференции молодых учёных, преподавателей, аспирантов «Научный потенциал Норильского промышленного района - XXI век» (Норильск, 2009 г.); на ежегодных научно-технических конференциях НорИИ (1991-2009 гг.); 6-я Международная металлургическая конференция «Металлургия-ИНТЕХЭКО-2013», г. Москва, март 2013г.

Основные положения диссертации опубликованы в 13 работах, в том числе 6 статьях, 5 авторских свидетельств и 2 патентах на изобретения.

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ВЫБОР НАПРАВЛЕНИЯ

ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Оборудование и технологии резки листов катодного никеля на

предприятиях цветной металлургии

Основными производителями катодного никеля в Российской Федерации являются комбинаты "Североникель", "Южуралникель" и Норильский горно-металлургический (НГМК).

В настоящее время это открытые акционерные общества (ОАО). Например, НГМК - это Заполярный филиал ОАО «Горно-металлургическая компания «Норильский никель».

НГМК катодный никель поставляет в виде листов с размером сторон до 950 мм. На комбинате "Южуралникель" основную часть никеля режут на полосы определенного размера. Комбинат "Североникель" является основным производителем катодного никеля в виде прямоугольных (квадратных) маломерных заготовок (карточек) [1].

Подготовка товарного никеля в виде листов и пластин (НГМК, "Южуралникель") производится вручную, с использованием ножниц с наклонными ножами (гильотинные ножницы). Для резки листов никеля на прямоугольные маломерные заготовки на комбинате «Североникель» используют поточную автоматическую линию "Лютер-Верке" ФРГ и другие подобные ей, на основе гильотинных ножниц, и поточные линии, выполненные на основе отечественных гильотинных ножниц (модель НБ-483 и модель НБ-481, г.Азов, завод прессового оборудования), установленных на различных высотных отметках (каскадная поточная линия). На этом же комбинате прошла производственные испытания и поточная автоматическая линия конструкции Старокраматорского машиностроительного завода, выполненная на основе гильотинных и дисковых ножниц.

На всех указанных видах поточных линий технология получения прямоугольных заготовок состоит из одной подготовительной (обрезка кромок у катодных листов по периметру) и двух основных (раскрой листов на полосы и резка полос на заготовки) операций резки. Схема каскадной поточной линии представлена на рис. 1.

Рисунок 1. Схема каскадной поточной линии

Промытые и взвешенные листы катодного никеля 1 мостовым краном помещают на цепной конвейер 2, где подвергают ручной сортировке по внешним браковочным признакам (зашламление, омеднение, дендриты и др.). Бракованные листы укладываются в стопы 3 у места сортировки, а остальные - передвигаются на пневматический стол-питатель 5, для подачи их к гильотинным ножницам.

Обработка листов катодного никеля на гильотинных ножницах осуществляется в две стадии. Первая - выполняется на верхних ножницах 6 и

включает в себя операции обрезки кромок у листов и раскрой листов на полосы. При этом за счёт регулируемого положения заслонки 7, кромки листа падают в бункер 8, а полосы - в бункер 10. Вторая стадия, резка полос, осуществляется на ножницах 12 и полученные карточки падают в бункер 13, откуда они поступают на ленточный конвейер 14, На этом конвейере рабочие производят осмотр и рассортировку пластин по внешнему виду, Пластины марки Н-1у и Н-1 остаются на конвейере и далее падают в контейнер 15, установленный на виброплощадке 16 (для более плотной укладки пластин). Никель марки Н-2 и бракованные пластины вручную сбрасываются в контейнеры 17,18,19; установленные около конвейера.

Линия фирмы "Лютер-Верке" (рис. 2) предназначена для резки листов катодного никеля размерами Ь-В-Ь = 985... 1000x885... 950x4...8 мм на квадратные заготовки с размером стороны 25, 50 или 105 мм. При работе линии на подвижную в боковом направлении каретку питающего стола 1 устанавливаются две стопы листов массой по две тонны. Со стоп листы снимаются вакуумным съемником 2 и перемещаются на питатель 3 кромкообрезных ножниц 4, на которых лист обрезается до размера ЬхВ=950х850(мм). После обрезки кромок листы снова вакуумным съемником по очереди подаются на один из питателей 5 или 17 ножниц 6 и 18 для резки листа на полосы. Питатели, настроенные на заданный размер, периодически проталкивают листы в зону резания ножниц.

Полосы, выходящие из ножниц, с помощью загрузочно-подающих устройств 7 и 19 перемещаются к устройствам цикличной подачи 8, 11, 14, 20, 23 и 26. Эти устройства подают полосы на ножницы 9, 12, 15, 21, 24 и 27, которые работают по циклу в зависимости от ширины полосы.

Квадратные пластины, полученные на шести ножницах, конвейерами 10, 13, 16, 22, 25 и 28 перемещаются к сборочному конвейеру 29 и далее к наклонному конвейеру 30. На конечной операции производится заправка готовой продукций в бочки. Пустые бочки подаются на весы по роликовым

конвейерам 32, 34 и 35. Когда на весы 33 поступает пустая бочка, открывается шибер в днище воронки 31 и в бочку высыпаются пластин�