鉱石洗浄機の薄肉ドラム-の剛性の弱さ-、特に表面品質を損なうクランプや加工中の変形やびびりの影響を受けやすいという加工上の課題に対処するため、有限要素解析が採用され、合理的で費用対効果が高く、効率的なサポート フィクスチャの設計が最適化されました。-この取り組みにより、薄肉ドラムの製造プロセスが改善され、加工効率が向上し、生産コストが効果的に削減されました。-
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導入
鉱石洗浄機は鉱物処理において重要な機器であり、通常、{0}}粉砕、磁気分離、浮遊選鉱の前の準備段階で-、鉱石から粘土の塊や砂利を洗い流すために使用されます。このプロジェクトで取り上げられた 2.1 m × 4.5 m の鉱石洗浄機は、海外の顧客向けにカスタム設計および製造されました。-その構造は、フィードセクション、ドラムセクション、ドライブアセンブリ、サポートローラーアセンブリ、スラストローラーアセンブリ、ギアハウジングなどのいくつかの重要なコンポーネントで構成されています。ドラム自体がマシンの核となるコンポーネントです。このドラムの主な構造的特徴は、その薄壁-厚さわずか 12 mm-であり、標準のドラム タイプのコンポーネントと比較して、薄壁で低剛性のドラムとして分類されます。-。このような低剛性ドラムの加工における主な課題は剛性の欠如であり、変形の制御が重要になります[1、2]。クランプや機械加工中に、ドラムはびびりやすく、これにより寸法および幾何学的公差の偏差 [3] が生じ、表面品質が損なわれる可能性があります。また、クランプでは端部を固定するのに対し、使用時は2つのライディングリング（タイヤ）でドラムを支持するなど、加工時と実稼働時の状態に誤差が生じます。
低剛性ドラムを加工するための従来のソリューションは、機械のクランプ力や切削力によって生じる変形を最小限に抑えるために剛性を高めることに焦点を当てていました。{0}当社は、1995年に同様の構造の鉱石洗浄機を製造したことがあります。しかし、当時の技術的限界のため、薄肉ドラムの剛性の分析は主に過去の経験に依存しており、定性的な評価に限定されていました。-当時のプロセス計画には、ドラムの剛性を強化するためのサポート固定具の設計が含まれていました。この固定具は、ドラムの両端の外周に固定されたクランプ-のような構造を利用し、内壁に対して配置された軸方向のサポートによって補完されていました。この工具のおかげでシリンダーの剛性が向上し、機械加工と製造プロセスを正常に完了することができました。ただし、工具の重量は 2,035 kg であり、-鉱石洗浄機のシリンダー自体 (2,813 kg) とほぼ同じ重さでした-ため、経済効率が悪くなります。
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薄肉鉱石ワッシャーシリンダーの構造-
シリンダーは鉱石洗浄機アセンブリの重要なコンポーネントであり、シリンダー壁がエンドキャップに溶接された一体溶接構造を特徴としています。内部リブ構造は 2 つの端で異なります。供給端の方が開口部が大きく、リブの数が多く、比較的複雑な構造になっています。吐出端の開口部が小さく、リブが少なく、構造がシンプルです。シリンダー壁は、厚さ 12 mm、最大外径 2,124 mm、長さ 4,819 mm、内径 2,100 mm の Q345B 鋼製です。重量は2,813kgです。機械加工が必要な領域には、ライディング リングと接する 2 つの外側円筒面 (外径 1 と外径 2)、および送り端のフランジ面が含まれます (図 1 を参照)。外径1、2の寸法はΦ2124mm、端面に対する直角度0.025mm、同軸度Φ0.15mm、表面粗さRa｛｛23｝｝μmです。
図 1: シリンダーの 3D モデル
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薄壁鉱石洗浄シリンダー用のサポート ツール スキームの最適化-
3.1 シリンダーツーリングスキームの技術的アプローチ
Autodesk Inventor ソフトウェアを使用してシリンダーに対して有限要素解析 (FEA) を実行し、その剛性を総合的に評価しました。変形シミュレーションは、シリンダの自重状態と工作機械にクランプされている状態の両方で実行されました。-変形解析結果に基づいて、製造プロセス計画が策定され、ツーリング構造が最適化され、新しいシリンダーサポートツーリング設計が開発されました。
3.2 円柱の有限要素ソリッドモデリング
3D モデルは、シリンダーの構造構成に基づいて「インサイドアウト」アプローチを使用して構築されました。-モデリング中、シリンダー構造は単純化され、次の仮定が行われました。
1) シリンダ両端の支持部品は十分な剛性を持っています。
2) 不完全な融合やシリンダー溶接部の亀裂などの欠陥は考慮されません. 3) シリンダー溶接継ぎ目での材料特性の変化は無視されます。溶接材料は母材と同一であると仮定されます [4、5]。
3.3 荷重計算と境界条件の設定
計算プロセス中に、シリンダに作用する外部荷重は主に 2 つの要素、つまりシリンダ自体の構造重量と工作機械の中心によって加えられるクランプ力で構成されます。コンポーネントのパラメータと工作機械の仕様に基づき、-工作機械のマニュアルを参照した結果、-中心のクランプ力は 20 kN と決定されました。
円筒部品の製造経験を活用することで、機械加工中の切り込み深さが最小限に抑えられ、切削抵抗の影響が無視できます。したがって、シリンダの変形に対する切削抵抗の影響は解析されません。この包括的な解析に基づいて、シリンダの境界条件と負荷設定が次のように確立されます。
(1) シリンダ荷重: 2 つの荷重ケースが考慮されます。まず、静止状態では、シリンダーの自重のみが考慮されます。次に、機械がクランプされた状態では、工作機械中心からのクランプ力とチャックジョーからの把握力が考慮されます。他のすべての負荷は無視されます。
(2) 境界条件: 静的状態では、円柱の両端の垂直方向の変位は拘束され、軸方向の変位は自由なままにして円柱の自己変形を計算します。-。機械-のクランプ状態では、一方の端では軸方向と半径方向の変位が拘束され、もう一方の端では垂直方向の変位が制限され、半径方向の動きは自由なままとなり、工作機械にクランプされている間の荷重条件をシミュレートします。
3.4 円筒変形の有限要素解析
(1) 静的状態での変形: 円柱に重力を適用し、有限要素解析を使用して X、Y、Z 軸に沿った変形を計算します。詳細を図 2 ～ 4 に示します。
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図 2 静止状態での X- 軸に沿った円柱の変形
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図 3 静止状態での Y- 軸に沿った円柱の変形
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図 4 静止状態での Z- 軸に沿った円柱の変形
(2) 機械内の変形-クランプ状態: シリンダにアキシアル荷重とラジアル荷重が適用され、有限要素解析を使用して工作機械にクランプされた状態の X、Y、Z 軸に沿った変形が計算されます。詳細を図 5 ～ 7 に示します。
図 5: クランプ時の X- 軸に沿った円柱の変形
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図 6: クランプ時の Y- 軸に沿った円柱の変形
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図 7: クランプ中の Z- 軸に沿った円柱の変形
シリンダ モデルの有限要素解析結果-、静的状態とクランプ加工状態の両方-を表 1 に示します。
表1：各条件におけるシリンダの有限要素解析結果（単位：mm）
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データ分析、比較、研究により、次の結論が得られました。シリンダは静止状態では最小限の変形を示しますが、クランプ加工プロセス中にシリンダの両端に局所的な大きな変形が発生します。
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薄肉鉱石洗浄シリンダーのツール スキームと検証プロセスをサポートします。{0}
4.1 最適化されたツールスキーム
シリンダーの低剛性特性に基づいて、新しいサポート ツール スキームが設計されました (図 8 と 9 を参照)。{0}このツーリング スキームは、シリンダーの内壁の剛性の低い部分に取り付けられた 4 つの環状サポートのセットで構成されています。環状サポートの外径は取り付けを容易にするために調整可能で、工具の重量は 150 kg です。各環状サポートは、3 つの円弧状のプレート セグメント、接続プレート、ボルト留め具、およびウェッジで構成されています。{7}隣接する円弧セグメントはボルトで固定されています。外径は接続穴間の間隔を変えることで局所的に調整できます。調整したら、アセンブリをウェッジを使用して締め、ボルト留めで完全に固定します。
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図 8: シリンダーサポートツール
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図 9: シリンダー サポート ツールの取り付けスキーム
1-シムプレート 2-工作機械心押し台端 3-心押し台センター
4-環状サポートツーリング 5-ワークピース 6-チャックジョー 7-工作機械主軸台端
薄肉の鉱石ワッシャー シリンダーが加工中に変形しないようにするには、次の措置を講じる必要があります。-
１）シリンダブランクの溶接中に、環状支持工具がシリンダの内壁に溶接される。溶接プロセスの後、円筒は-環状サポートとともに-炉内で応力除去焼きなまし-を受けます。環状サポートは焼きなましの前にシリンダ本体に溶接されるため、シリンダの固有の剛性が強化され、それによって応力除去焼きなましプロセス中の変形が防止されます。
2) 4 つのバッキング プレートが主軸台端のチャックに取り付けられ、シリンダーの端面をサポートし、クランプ ジョーがシリンダーの外面の必要な位置を確実に掴むようにしました。クランプ力によって引き起こされる変形を防ぐために、一組の環状支持固定具がクランプジョーとシリンダーの外面との間の接触点の真向かいの内壁に取り付けられました。プロセスブロックは、ワークピースと心押し台センターの間のインターフェイス用に設計されました。このブロックの設計要件は、その外形寸法が中心穴の加工に対応する必要があり、中心穴自体も工作機械の中心角とワークの質量に基づいて指定する必要がありました。
4.2 検証プロセス
上記の工程対策を実施した後、シリンダを工作機械にクランプして試加工を実施しました。シリンダーの振れを確認するためにダイヤルインジケーターが使用されました。アライメント精度は 1 mm 未満であり、加工計画の要件を十分に満たしていることがわかりました。この位置合わせ精度は、溶接されたシリンダーブランクの精度と基本的に一致しており、クランププロセス中の変形が最小限であることが確認されました。シリンダーの機械加工プロセスと完成したコンポーネントを図 10 ～ 12 に示します。
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図10 シリンダの荒加工と仕上げ加工
図11 工作機械センターとのインターフェースのプロセスブロック
図 12 完成したシリンダー
最適化されたシリンダー サポート ツール スキームを採用することで、鉱石洗浄機用の薄肉シリンダーの製造に成功しました。{0}検査により、すべての精度パラメータが図面仕様を満たしていることが確認されました。最適化されたサポート スキームは実際に検証され、シリンダーの有限要素解析 (FEA) 結果の精度も確認されました。
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結論
有限要素解析により、選鉱機の薄壁シリンダーの剛性解析は、経験的で定性的なアプローチから定量的なアプローチに向上しました。{0}これにより、製造プロセスの設計品質が効果的に向上し、合理的で費用対効果が高く、効率的な、最適化されたサポート ツール ソリューションが実現しました。-実際の検証では、このアプローチが効果的に処理コストを削減し、製造サイクルを短縮することが実証されています。これは、同様の製品を製造するための科学的根拠を提供し、他の同等の品目についての貴重な参考資料となります。
