Per affrontare le sfide di lavorazione associate alla debole rigidità del tamburo a pareti sottili-della lavatrice minerale-in particolare la sua suscettibilità alla deformazione e alle vibrazioni durante il bloccaggio e la lavorazione, che compromette la qualità della superficie,-è stata utilizzata l'analisi degli elementi finiti per ottimizzare la progettazione di un dispositivo di supporto razionale,-economico ed efficiente. Questa iniziativa ha migliorato il processo di produzione del tamburo a pareti sottili-, ha migliorato l'efficienza della lavorazione e ha ridotto efficacemente i costi di produzione.
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Introduzione
La lavatrice per minerali è un componente fondamentale dell'attrezzatura nella lavorazione dei minerali, generalmente utilizzata durante la fase preparatoria-prima della frantumazione, della separazione magnetica e della flottazione-per lavare i grumi di argilla o la ghiaia dal minerale. La lavatrice per minerali da 2,1 x 4,5 m presente in questo progetto è stata-progettata e prodotta su misura per un cliente estero. La sua struttura comprende diversi componenti chiave, tra cui la sezione di alimentazione, la sezione del tamburo, il gruppo di trasmissione, il gruppo del rullo di supporto, il gruppo del rullo di spinta e l'alloggiamento degli ingranaggi; il tamburo stesso è il componente principale della macchina. Una caratteristica strutturale principale di questo tamburo è la sua parete sottile-che misura solo 12 mm di spessore-classificandolo come un tamburo-a pareti sottili e a bassa-rigidità rispetto ai componenti di tipo tamburo-standard. La sfida principale nella lavorazione di tamburi a rigidità così bassa- è la loro mancanza di rigidità, che rende critico il controllo della deformazione [1, 2]. Durante il bloccaggio e la lavorazione, il tamburo tende a vibrare, il che può portare a deviazioni di tolleranza dimensionale e geometrica [3] e compromettere la qualità della superficie. Inoltre, esiste una discrepanza tra lo stato del tamburo durante la lavorazione e il suo stato durante il funzionamento effettivo: mentre il bloccaggio implica il fissaggio delle estremità, il tamburo è supportato da due anelli di guida (pneumatici) durante il servizio.
Le soluzioni convenzionali per la lavorazione di tamburi a bassa-rigidità si concentrano sul miglioramento della rigidità per ridurre al minimo la deformazione causata dalle forze di bloccaggio e di taglio della macchina. La nostra azienda aveva già prodotto nel 1995 una lavaminerale con struttura simile; tuttavia, a causa dei limiti tecnologici dell'epoca, l'analisi della rigidità del tamburo a pareti sottili- si basava in gran parte sull'esperienza passata ed era limitata alla valutazione qualitativa. Il piano del processo in quel momento prevedeva la progettazione di un dispositivo di supporto per rafforzare la rigidità del tamburo; questo dispositivo utilizzava una struttura simile a un morsetto- fissata attorno alla circonferenza esterna su entrambe le estremità del tamburo, integrata da supporti assiali posizionati contro la parete interna. Con l'ausilio di questi utensili, la rigidità del cilindro è stata migliorata, consentendo di completare con successo il processo di lavorazione e produzione. Tuttavia, l'attrezzatura pesava 2.035 kg-quasi quanto lo stesso cilindro lavaminerale (2.813 kg)-con conseguente scarsa efficienza economica.
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Struttura del cilindro-della lavatrice per minerali a pareti sottili
Il cilindro è un componente chiave del gruppo lavaminerali, caratterizzato da una struttura saldata integrale in cui la parete del cilindro è saldata ai cappucci terminali. Le strutture delle nervature interne differiscono tra le due estremità: l'estremità di alimentazione ha un'apertura più grande, un maggior numero di nervature e una struttura relativamente complessa; l'estremità di scarico ha un'apertura più piccola, meno nervature e una struttura più semplice. La parete del cilindro è realizzata in acciaio Q345B con spessore di 12 mm, diametro esterno massimo di 2.124 mm, lunghezza di 4.819 mm e diametro interno di 2.100 mm; pesa 2.813 kg. Le aree che richiedono lavorazione includono le due superfici cilindriche esterne (diametro esterno 1 e diametro esterno 2) che si interfacciano con gli anelli di guida, nonché la faccia della flangia all'estremità di alimentazione (vedere Figura 1). Per i diametri esterni 1 e 2, la dimensione è Φ2.124 mm, con una perpendicolarità alla faccia terminale di 0,025 mm, una coassialità di Φ0,15 mm e una rugosità superficiale di Ra=3.2 μm.
Figura 1: modello 3D del cilindro
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Ottimizzazione dello schema degli strumenti di supporto per il-cilindro lavaminerali a pareti sottili
3.1 Approccio tecnico per lo schema di utensili per cilindri
Il software Autodesk Inventor è stato utilizzato per eseguire l'analisi degli elementi finiti (FEA) sul cilindro per valutarne in modo completo la rigidità. Sono state condotte simulazioni di deformazione sia per lo stato di peso proprio del cilindro-che per lo stato in cui è bloccato sulla macchina utensile. Sulla base dei risultati dell'analisi della deformazione, è stato ideato un piano del processo di produzione, la struttura degli utensili è stata ottimizzata ed è stato sviluppato un nuovo design degli utensili di supporto del cilindro.
3.2 Modellazione solida agli elementi finiti del cilindro
È stato costruito un modello 3D utilizzando un approccio "inside-out" basato sulla configurazione strutturale del cilindro. Durante la modellazione, la struttura del cilindro è stata semplificata e sono state fatte le seguenti ipotesi:
1) I componenti di supporto su entrambe le estremità del cilindro possiedono una rigidità sufficiente.
2) Difetti come fusione incompleta o crepe nelle saldature del cilindro non vengono presi in considerazione. 3) Le modifiche alle proprietà del materiale in corrispondenza delle saldature del cilindro vengono ignorate; si presuppone che il materiale di saldatura sia identico al materiale di base [4, 5].
3.3 Calcolo del carico e impostazione delle condizioni al contorno
Durante il processo di calcolo, i carichi esterni agenti sul cilindro sono costituiti principalmente da due componenti: il peso strutturale del cilindro stesso e la forza di bloccaggio esercitata dal centro della macchina utensile. In base ai parametri dei componenti e alle specifiche della macchina utensile-e dopo aver consultato il manuale della macchina utensile-la forza di bloccaggio del centro è stata determinata pari a 20 kN.
Basandosi sull'esperienza nella produzione di componenti cilindrici, la profondità di taglio durante la lavorazione è minima e l'impatto delle forze di taglio è trascurabile; pertanto, l'effetto delle forze di taglio sulla deformazione del cilindro non viene analizzato. Sulla base di questa analisi completa, le condizioni al contorno e le impostazioni di carico per il cilindro sono stabilite come segue:
(1) Carichi dei cilindri: vengono considerati due casi di carico. Innanzitutto, nello stato statico viene preso in considerazione solo il peso proprio del cilindro. In secondo luogo, nello stato di bloccaggio della macchina-, vengono prese in considerazione la forza di bloccaggio del centro della macchina utensile e la forza di presa delle ganasce del mandrino; tutti gli altri carichi vengono ignorati.
(2) Condizioni al contorno: nello stato statico, lo spostamento verticale su entrambe le estremità del cilindro è vincolato mentre lo spostamento assiale è lasciato libero per calcolare l'auto-deformazione del cilindro. Nello stato bloccato della macchina-, gli spostamenti assiali e radiali sono vincolati a un'estremità, mentre lo spostamento verticale è vincolato e il movimento radiale è lasciato libero all'altra estremità, simulando le condizioni di carico mentre è bloccato nella macchina utensile.
3.4 Analisi agli elementi finiti della deformazione del cilindro
(1) Deformazione nello stato statico: la gravità viene applicata al cilindro e l'analisi degli elementi finiti viene utilizzata per calcolare la deformazione lungo gli assi X, Y e Z; i dettagli sono mostrati nelle Figure da 2 a 4.
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Figura 2 Deformazione del cilindro lungo l'asse X- nello stato statico
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Figura 3 Deformazione del cilindro lungo l'asse Y-nello stato statico
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Figura 4 Deformazione del cilindro lungo l'asse Z-nello stato statico
(2) Deformazione nella macchina-Stato bloccato: carichi assiali e radiali vengono applicati al cilindro e l'analisi degli elementi finiti viene utilizzata per calcolare la deformazione lungo gli assi X, Y e Z mentre è bloccato nella macchina utensile; i dettagli sono mostrati nelle Figure da 5 a 7. Figura
Figura 5: Deformazione del cilindro lungo l'asse X- mentre è bloccato
Figura
Figura 6: Deformazione del cilindro lungo l'asse Y-mentre è bloccato
Figura
Figura 7: Deformazione del cilindro lungo l'asse Z-mentre bloccato
I risultati dell'analisi degli elementi finiti per il modello del cilindro-sia nel suo stato statico che durante lo stato di lavorazione bloccato-sono presentati nella Tabella 1.
Tabella 1: Risultati dell'analisi degli elementi finiti per il cilindro in diverse condizioni (Unità: mm)
Figura
L'analisi, il confronto e lo studio dei dati hanno portato alle seguenti conclusioni: il cilindro presenta una deformazione minima nel suo stato statico, mentre una significativa deformazione localizzata si verifica su entrambe le estremità del cilindro durante il processo di lavorazione con bloccaggio.
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Supporta lo schema degli strumenti e il processo di verifica per il cilindro lavaminerali a pareti sottili-
4.1 Schema di utensili ottimizzato
Sulla base delle caratteristiche di bassa-rigidità del cilindro, è stato progettato un nuovo schema di strumenti di supporto (vedi Figure 8 e 9). Questo schema di attrezzatura è costituito da una serie di quattro supporti anulari installati nelle sezioni meno rigide della parete interna del cilindro. Il diametro esterno dei supporti anulari è regolabile per facilitare l'installazione, e l'attrezzatura pesa 150 kg. Ciascun supporto anulare è composto da tre segmenti di piastra a forma di arco-, piastre di collegamento, elementi di fissaggio bullonati e cunei. I segmenti di arco adiacenti sono imbullonati insieme; il diametro esterno può essere regolato localmente variando la spaziatura tra i fori di collegamento. Una volta regolato, il gruppo viene serrato mediante cunei e quindi completamente fissato con i dispositivi di fissaggio imbullonati.
Figura
Figura 8: Attrezzatura di supporto del cilindro
Figura
Figura 9: Schema di installazione dell'attrezzatura di supporto del cilindro
1-Piastra di spessore 2-Estremità della contropunta della macchina utensile 3-Centro della contropunta
4-Utensili di supporto anulare 5-Pezzo da lavorare 6-Ganascina del mandrino 7-Estremità della testa della macchina utensile
Per garantire che il cilindro della lavatrice minerale a pareti sottili-non si deformi durante la lavorazione, è necessario adottare le seguenti misure:
1) Durante la saldatura del cilindro grezzo, l'attrezzatura anulare di supporto viene saldata alla parete interna del cilindro; in seguito al processo di saldatura, il cilindro-insieme ai supporti anulari-subisce una ricottura-di distensione in forno. Poiché il supporto anulare viene saldato al corpo del cilindro prima della ricottura, la rigidità intrinseca del cilindro viene migliorata, prevenendo così la deformazione durante il processo di ricottura di distensione-.
2) Quattro piastre di supporto sono state installate sul mandrino all'estremità della testata per supportare la faccia terminale del cilindro, garantendo che le ganasce di bloccaggio facessero presa sulla superficie esterna del cilindro nella posizione richiesta. Una serie di dispositivi di supporto anulari è stata installata sulla parete interna direttamente di fronte ai punti di contatto tra le ganasce di serraggio e la superficie esterna del cilindro per evitare la deformazione causata dalla forza di serraggio. Per l'interfaccia tra il pezzo e il centro della contropunta è stato progettato un blocco di processo; i requisiti di progettazione per questo blocco erano che le sue dimensioni esterne dovessero adattarsi alla lavorazione del foro centrale e che il foro centrale stesso dovesse essere specificato in base all'angolo centrale della macchina utensile e alla massa del pezzo.
4.2 Processo di verifica
Dopo l'implementazione delle misure di processo sopra menzionate, dopo il bloccaggio del cilindro sulla macchina utensile è stata eseguita una lavorazione di prova. I comparatori venivano utilizzati per controllare l'eccentricità del cilindro; la precisione di allineamento è risultata inferiore a 1 mm, soddisfacendo pienamente i requisiti del piano di lavorazione. Questa precisione di allineamento era essenzialmente coerente con la precisione del cilindro grezzo saldato, confermando che la deformazione durante il processo di bloccaggio era minima. Il processo di lavorazione del cilindro e il componente finito sono mostrati nelle Figure da 10 a 12.
Immagini
Figura 10 Lavorazione di sgrossatura e finitura del cilindro
Figura 11 Blocco di processo all'interfaccia con il centro della macchina utensile
Figura 12 Cilindro finito
Adottando lo schema ottimizzato degli strumenti di supporto del cilindro, è stato prodotto con successo il cilindro a pareti sottili-per la lavatrice minerale. L'ispezione ha confermato che tutti i parametri di precisione soddisfacevano le specifiche del disegno. Lo schema di supporto ottimizzato è stato convalidato nella pratica, confermando anche l'accuratezza dei risultati dell'analisi agli elementi finiti (FEA) per il cilindro.
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Conclusione
Attraverso l'analisi degli elementi finiti, l'analisi della rigidità del cilindro a pareti sottili- della lavatrice è stata elevata da un approccio empirico e qualitativo a uno quantitativo. Ciò ha effettivamente migliorato la qualità della progettazione del processo di produzione e ha prodotto una soluzione di strumenti di supporto ottimizzata, razionale, economicamente vantaggiosa ed efficiente. La verifica pratica dimostra che questo approccio riduce efficacemente i costi di lavorazione e accorcia i cicli produttivi; fornisce una base scientifica per la produzione di prodotti simili e offre un prezioso riferimento per altri articoli comparabili.
