Om de bewerkingsuitdagingen aan te pakken die verband houden met de zwakke stijfheid van de dun{0}}wandige trommel van de ertswasmachine,-met name de gevoeligheid voor vervorming en klapperen tijdens het klemmen en machinaal bewerken, wat de oppervlaktekwaliteit in gevaar brengt,-werd eindige-elementenanalyse toegepast om het ontwerp van een rationele, kosten-effectieve en efficiënte ondersteuningsbevestiging te optimaliseren. Dit initiatief verbeterde het productieproces voor de dun-wandige trommel, verhoogde de bewerkingsefficiëntie en verlaagde effectief de productiekosten.
01
Invoering
De ertswasmachine is een essentieel onderdeel van de verwerking van mineralen en wordt doorgaans gebruikt tijdens de voorbereidende fase -vóór het breken, magnetische scheiding en flotatie- om kleiklonten of grind uit het erts te wassen. De ertswasser van 2,1 x 4,5 m in dit project is op maat-ontworpen en vervaardigd voor een buitenlandse klant. De structuur bestaat uit verschillende belangrijke componenten, waaronder het invoergedeelte, het trommelgedeelte, het aandrijfsamenstel, het steunrolsamenstel, het drukrolsamenstel en het tandwielhuis; de trommel zelf is het kernonderdeel van de machine. Een primair structureel kenmerk van deze trommel is de dunne wand-die slechts 12 mm dik is-en classificeert hem als een dun-wandige trommel met lage-stijfheid in vergelijking met standaard trommel-componenten. De centrale uitdaging bij het bewerken van trommels met zulke lage{15}}stijfheid is hun gebrek aan stijfheid, waardoor de beheersing van vervorming van cruciaal belang is [1, 2]. Tijdens het opspannen en bewerken is de trommel gevoelig voor klapperen, wat kan leiden tot maat- en geometrische tolerantieafwijkingen [3] en de oppervlaktekwaliteit kan aantasten. Bovendien is er een discrepantie tussen de toestand van de trommel tijdens de bewerking en de toestand tijdens de daadwerkelijke werking: terwijl bij het vastklemmen de uiteinden worden vastgezet, wordt de trommel tijdens gebruik ondersteund door twee rijringen (banden).
Conventionele oplossingen voor het bewerken van trommels met lage{0}} stijfheid zijn gericht op het verbeteren van de stijfheid om vervorming veroorzaakt door klemkrachten en snijkrachten van de machine te minimaliseren. Ons bedrijf vervaardigde in 1995 eerder een ertswasser met een vergelijkbare structuur; Vanwege de technologische beperkingen van die tijd was de analyse van de stijfheid van de dun-trommel echter grotendeels gebaseerd op ervaringen uit het verleden en beperkt tot een kwalitatieve beoordeling. Het procesplan bestond destijds uit het ontwerpen van een steunbevestiging om de stijfheid van de trommel te versterken; Deze armatuur maakte gebruik van een klem{5}}achtige structuur die rond de buitenomtrek aan beide uiteinden van de trommel was bevestigd, aangevuld met axiale steunen die tegen de binnenwand waren geplaatst. Met behulp van dit gereedschap werd de stijfheid van de cilinder vergroot, waardoor het bewerkings- en fabricageproces met succes kon worden voltooid. Het gereedschap woog echter 2.035 kg-bijna evenveel als de ertswascilinder zelf (2.813 kg),-wat resulteerde in een slechte economische efficiëntie.
02
Structuur van de dun-wandige ertswascilinder
De cilinder is een belangrijk onderdeel van de ertswasinstallatie en heeft een integrale gelaste structuur waarbij de cilinderwand aan de eindkappen is gelast. De interne ribstructuren verschillen tussen de twee uiteinden: het invoeruiteinde heeft een grotere opening, een groter aantal ribben en een relatief complexe structuur; het afvoeruiteinde heeft een kleinere opening, minder ribben en een eenvoudiger structuur. De cilinderwand is gemaakt van Q345B-staal met een dikte van 12 mm, een maximale buitendiameter van 2.124 mm, een lengte van 4.819 mm en een binnendiameter van 2.100 mm; hij weegt 2.813 kg. De gebieden die machinaal moeten worden bewerkt, zijn onder meer de twee buitenste cilindrische oppervlakken (buitendiameter 1 en buitendiameter 2) die in verbinding staan met de rijringen, evenals het flensvlak aan het invoeruiteinde (zie figuur 1). Voor buitendiameters 1 en 2 is de afmeting Φ2.124 mm, met een loodrechtheid op het eindvlak van 0,025 mm, een coaxialiteit van Φ0,15 mm en een oppervlakteruwheid van Ra=3.2 μm.
Figuur 1: 3D-model van de cilinder
03
Optimalisatie van het ondersteuningsgereedschapsprogramma voor de dun-wandige ertswascilinder
3.1 Technische aanpak voor het cilindergereedschapsschema
Er werd Autodesk Inventor-software gebruikt om eindige elementenanalyse (FEA) op de cilinder uit te voeren om de stijfheid ervan uitgebreid te evalueren. Er zijn vervormingssimulaties uitgevoerd voor zowel het eigen-gewicht van de cilinder als de toestand waarin deze op de werktuigmachine is vastgeklemd. Op basis van de resultaten van de vervormingsanalyse werd een productieprocesplan opgesteld, werd de gereedschapsstructuur geoptimaliseerd en werd een nieuw ontwerp voor cilinderondersteuningsgereedschappen ontwikkeld.
3.2 Eindige elementen-solidemodellering van de cilinder
Er werd een 3D-model geconstrueerd met behulp van een 'binnen-buiten'-benadering, gebaseerd op de structurele configuratie van de cilinder. Tijdens het modelleren werd de cilinderstructuur vereenvoudigd en werden de volgende aannames gedaan:
1) De steuncomponenten aan beide uiteinden van de cilinder beschikken over voldoende stijfheid.
2) Er wordt geen rekening gehouden met defecten zoals onvolledige versmelting of scheuren in de cilinderlassen.. 3) Veranderingen in materiaaleigenschappen bij de cilinderlasnaden worden genegeerd; Er wordt aangenomen dat het lasmateriaal identiek is aan het basismateriaal [4, 5].
3.3 Berekening van de belasting en instellen van de randvoorwaarden
Tijdens het berekeningsproces bestaan de externe belastingen die op de cilinder inwerken voornamelijk uit twee componenten: het structurele gewicht van de cilinder zelf en de klemkracht die wordt uitgeoefend door het midden van de werktuigmachine. Op basis van componentparameters en machinespecificaties-en na raadpleging van de machinehandleiding- werd de klemkracht van het midden bepaald op 20 kN.
Op basis van productie-ervaring met cilindrische componenten is de snedediepte tijdens de bewerking minimaal en is de impact van snijkrachten verwaarloosbaar; daarom wordt het effect van snijkrachten op cilindervervorming niet geanalyseerd. Op basis van deze uitgebreide analyse worden de randvoorwaarden en belastingsinstellingen voor de cilinder als volgt vastgesteld:
(1) Cilinderbelastingen: er wordt rekening gehouden met twee belastinggevallen. Ten eerste wordt in de statische toestand alleen rekening gehouden met het eigengewicht van de cilinder. In de tweede plaats wordt in de -geklemde toestand van de machine rekening gehouden met de klemkracht van het midden van de werktuigmachine en de grijpkracht van de spanklauwen; alle andere belastingen worden buiten beschouwing gelaten.
(2) Randvoorwaarden: In de statische toestand wordt de verticale verplaatsing aan beide uiteinden van de cilinder beperkt, terwijl de axiale verplaatsing vrij wordt gelaten om de zelf-vervorming van de cilinder te berekenen. In de machine-geklemde toestand worden axiale en radiale verplaatsingen aan het ene uiteinde beperkt, terwijl verticale verplaatsing wordt beperkt en radiale beweging aan het andere uiteinde vrij blijft, waardoor de belastingsomstandigheden worden gesimuleerd terwijl ze in de werktuigmachine zijn vastgeklemd.
3.4 Eindige elementenanalyse van cilindervervorming
(1) Vervorming in de statische toestand: zwaartekracht wordt toegepast op de cilinder en eindige elementenanalyse wordt gebruikt om de vervorming langs de X-, Y- en Z-assen te berekenen; details worden getoond in figuren 2 tot en met 4.
Afbeelding
Figuur 2 Vervorming van de cilinder langs de X--as in statische toestand
Afbeelding
Figuur 3 Vervorming van de cilinder langs de Y--as in statische toestand
Afbeelding
Figuur 4 Vervorming van de cilinder langs de Z--as in statische toestand
(2) Vervorming in de machine-Ingeklemde toestand: Er worden axiale en radiale belastingen uitgeoefend op de cilinder, en eindige-elementenanalyse wordt gebruikt om de vervorming langs de X-, Y- en Z-assen te berekenen terwijl deze in de werktuigmachine is vastgeklemd; details worden getoond in figuren 5 tot en met 7. Figuur
Figuur 5: Vervorming van de cilinder langs de X--as tijdens het vastklemmen
Figuur
Figuur 6: Vervorming van de cilinder langs de Y--as tijdens het vastklemmen
Figuur
Figuur 7: Vervorming van de cilinder langs de Z--as tijdens het vastklemmen
De resultaten van de eindige-elementenanalyse voor het cilindermodel -zowel in zijn statische toestand als tijdens de geklemde bewerkingstoestand-worden weergegeven in Tabel 1.
Tabel 1: Eindige-elementenanalyseresultaten voor de cilinder onder verschillende omstandigheden (eenheid: mm)
Figuur
Gegevensanalyse, vergelijking en onderzoek leidden tot de volgende conclusies: de cilinder vertoont minimale vervorming in zijn statische toestand, terwijl aanzienlijke plaatselijke vervorming optreedt aan beide uiteinden van de cilinder tijdens het ingeklemde bewerkingsproces.
04
Ondersteuning van het toolingschema en verificatieproces voor de dun-wandige ertswascilinder
4.1 Geoptimaliseerd toolingschema
Gebaseerd op de lage- stijfheidseigenschappen van de cilinder, werd een nieuw ondersteuningsgereedschapsschema ontworpen (zie figuren 8 en 9). Dit gereedschapsschema bestaat uit een set van vier ringvormige steunen die zijn geïnstalleerd op de minder stijve delen van de binnenwand van de cilinder. De buitendiameter van de ringvormige steunen is verstelbaar om de installatie te vergemakkelijken, en het gereedschap weegt 150 kg. Elke ringvormige steun bestaat uit drie boog-vormige plaatsegmenten, verbindingsplaten, vastgeschroefde bevestigingsmiddelen en wiggen. Aangrenzende boogsegmenten zijn aan elkaar vastgeschroefd; door de afstand tussen de aansluitgaten te variëren kan de buitendiameter plaatselijk worden aangepast. Eenmaal afgesteld, wordt het geheel vastgezet met behulp van wiggen en vervolgens volledig vastgezet met de vastgeschroefde bevestigingsmiddelen.
Figuur
Figuur 8: Gereedschap voor cilinderondersteuning
Figuur
Figuur 9: Installatieschema voor cilindersteungereedschap
1-Vulplaat 2-Machinegereedschap losse kop 3-Loskop midden
4-Ringvormige steungereedschappen 5-Werkstuk 6-Chuck-klauw 7-Machinegereedschap kopeinde
Om ervoor te zorgen dat de dun{0}}wandige ertswascilinder tijdens de bewerking niet vervormt, moeten de volgende maatregelen worden genomen:
1) Tijdens het lassen van de onbewerkte cilinder wordt het ringvormige steungereedschap aan de binnenwand van de cilinder gelast; Na het lasproces ondergaat de cilinder-samen met de ringvormige steunen- een spannings-ontlatingsgloeien in een oven. Omdat de ringvormige steun voorafgaand aan het uitgloeien aan het cilinderlichaam wordt gelast, wordt de inherente stijfheid van de cilinder vergroot, waardoor vervorming tijdens het spanningsontlastende uitgloeiproces wordt voorkomen.
2) Er werden vier steunplaten op de spankop aan het uiteinde van de kop geïnstalleerd om het eindvlak van de cilinder te ondersteunen, zodat de klemkaken het buitenoppervlak van de cilinder op de vereiste locatie vastgrepen. Op de binnenwand, direct tegenover de contactpunten tussen de klemkaken en het buitenoppervlak van de cilinder, werd een set ringvormige steunbevestigingen geïnstalleerd om vervorming als gevolg van de klemkracht te voorkomen. Er is een procesblok ontworpen voor de interface tussen het werkstuk en het midden van de losse kop; De ontwerpvereisten voor dit blok waren dat de buitenafmetingen de bewerking van het middengat moesten accommoderen, en dat het middengat zelf moest worden gespecificeerd op basis van de middenhoek van de werktuigmachine en de massa van het werkstuk.
4.2 Verificatieproces
Na de implementatie van de bovengenoemde procesmaatregelen werd een proefbewerking uitgevoerd nadat de cilinder op de werktuigmachine was geklemd. Er werden meetklokken gebruikt om de slingering van de cilinder te controleren; de uitlijningsnauwkeurigheid bleek minder dan 1 mm te zijn, wat volledig voldoet aan de eisen van het bewerkingsplan. Deze uitlijningsnauwkeurigheid was in wezen consistent met de precisie van de gelaste cilinder, wat bevestigde dat de vervorming tijdens het klemproces minimaal was. Het cilinderbewerkingsproces en het voltooide onderdeel worden getoond in figuren 10 tot en met 12.
Afbeeldingen
Figuur 10 Voor- en nabewerking van de cilinder
Figuur 11 Procesblok op de interface met het gereedschapscentrum
Figuur 12 Voltooide cilinder
Door gebruik te maken van het geoptimaliseerde gereedschapsschema voor cilinderondersteuning werd de dun-wandige cilinder voor de ertswasmachine met succes vervaardigd. Inspectie bevestigde dat alle precisieparameters voldeden aan de tekeningspecificaties. Het geoptimaliseerde ondersteuningsschema werd in de praktijk gevalideerd, wat ook de nauwkeurigheid van de eindige elementenanalyse (FEA) resultaten voor de cilinder bevestigde.
05
Conclusie
Door middel van eindige-elementenanalyse werd de stijfheidsanalyse van de dun{0}}wandige cilinder van de ertswasser verheven van een empirische, kwalitatieve benadering naar een kwantitatieve benadering. Dit verbeterde effectief de ontwerpkwaliteit van het productieproces en resulteerde in een geoptimaliseerde oplossing voor ondersteuningstools die rationeel, kosten-effectief en efficiënt is. Praktische verificatie toont aan dat deze aanpak de verwerkingskosten effectief verlaagt en de productiecycli verkort; het biedt een wetenschappelijke basis voor de productie van soortgelijke producten en biedt een waardevolle referentie voor andere vergelijkbare artikelen.
