Содержание к диссертации
Введение
1 АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ТОЧНОСТЬ КООРДИНАТНО-
РАСТОЧНЫХ СТАНКОВ, И МЕТОДЫ ЕЕ ПОВЫШЕНИЯ 16
1.1 Анализ погрешностей и методы контроля характеристик координатно-расточных станков 16
1.2 Методы расчета силовых деформаций корпусных деталей металлорежущих станков 30
1.3 Методы повышения точности технологической системы координатно-расточных станков 34
Выводы по разделу. Формулировка цели и задач исследований 43
2 АНАЛИТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ВЛИЯНИЯ СИЛОВЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ КООРДИНАТНО-РАСТОЧНЫХ СТАНКОВ НА ИХ ТОЧНОСТЬ 46
2.1 Разработка методики расчета силовых деформаций станин станков методом конечных элементов 46
2.2 Математическое описание влияния силовых деформаций станины на геометрическую точность технологической системы станка 59
2.3 Корпусная заготовка с гидродомкратом как объект управления... 67
2.4 Динамическая модель технологической системы горизонтального координатно-расточного станка 79
Выводы по второму разделу 90
3 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ТОЧНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ СИСТЕМЫ КООРДИНАТНО-РАСТОЧНЫХ СТАНКОВ 91
3.1 Экспериментальные исследование силовых деформаций технологической системы горизонтально координатно-расточного станка 91
3.1.2 Экспериментальное исследование упругих перемещений в стыке "салазки - станина стола" 98
3.1.3 Экспериментальное исследование упругих перемещений в стыке "шпиндельная бабка - стойка" 102
3.1.4 Экспериментальное исследование упругих деформаций стойки.. 108
3.1.5 Экспериментальное исследование упругих перемещений в
стыке "етойка-станина" 115
3.2 Экспериментальные исследование упругих деформаций станины и рациональное размещение штатных опор горизонтального координатно-расточного станка на его точность 120
3.3 Конструктивно-функциональная схема экспериментальной установки для исследования стабилизации осей 127
Выводы по третьему разделу 135
4 ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ПОВЫШЕНИЯ ТОЧНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ КООРДИНАТНО-РАСТОЧНЫХ СТАНКОВ ПУТЕМ АВТОМАТИЧЕСКОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ОСЕЙ РАСТАЧИВАЕМЫХ ОТВЕРСТИЙ И ШПИНДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ 138
4.1 Методика экспериментальных исследований точности обработки на станках, оснащенных системами автоматической стабилизации 138
4.2 Методика статистической обработки результатов экспериментальных исследований 142
4.3 Результаты экспериментальных исследований повышения точности станков методом автоматической стабилизации осей растачиваемых отверстий и шпиндельных узлов 146
Выводы по четвертому разделу 149
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ 150
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 152
ПРИЛОЖЕНИЕ (Акты внедрения результатов НИР) 167
- Анализ погрешностей и методы контроля характеристик координатно-расточных станков
- Разработка методики расчета силовых деформаций станин станков методом конечных элементов
- Экспериментальные исследование силовых деформаций технологической системы горизонтально координатно-расточного станка
- Методика экспериментальных исследований точности обработки на станках, оснащенных системами автоматической стабилизации
Введение к работе
При проектировании и эксплуатации металлорежущего оборудования возникает необходимость повышения их точностных характеристик. Особенно это актуально применительно к координатно-расточным станкам (КРС). На этих станках решаются следующие задачи: высокоточная обработка заготовок различной массы, габаритов, в том числе в крайних положениях подвижных узлов - стойки, стола, шпиндельной бабки и т.д. Однако, силовые деформации, испытываемые станинами, приводят к существенному снижению точности металлорежущего оборудования и требуют разработки специальных методов обеспечения его точности.
Известны традиционные методы повышения точности [36, 67, 92, 125, 140, 141, 143, 145, 146, 148, 149, 150, 155 и др.], сводящиеся к увеличению жесткости несущих систем станков, выбору рациональной конструкции станины, повышению качества сборки и доводки узлов, подбору смазочных материалов и так далее. Они практически достигли определенного предельного уровня, влияния на точность металлорежущего оборудования. Дальнейшие шаги в этом направлении приводят к существенному удорожанию его стоимости.
Одним из наиболее перспективных путей дальнейшего повышения точности станков является оснащение их специальными системами автоматического управления и регулирования. Их в свою очередь можно разделить на два самостоятельных направления: - автоматическое управление элементами упругих систем металлорежу щих станков, то есть адаптацию их несущих систем к изменяющимся услови ям функционирования [11, 15, 27, 53, 62, 86, 93, 124, 127, 153, 156, 157 и др.]; - автоматическое управление процессом механической обработки за счет изменения режимов резания [8, 9, 10, 11, 14,91 и др.].
В настоящей работе разрабатывается метод повышения точности, на примере горизонтального координатно-расточного станка в рамках первого направления. Технический эффект достигается методом автоматической ста- билизации положения осей растачиваемых отверстий корпусных заготовок и шпиндельного узла, а так же коррекции управляющей программы обработки изделия.
Для обоснования, разработки и реализации этого метода потребовалось выполнить баланс точности горизонтального координатно-расточного станка (см, ПРИЛОЖЕНИЕ Л), провести специальные исследования силовых деформаций его несущей системы. Эти исследования необходимы для оценки доли погрешностей вносимых силовыми деформациями в общем балансе точности металлорежущего оборудования.
Станкостроительное ЗАО "СТАН-САМАРА" в настоящее время осуществляет ремонт и модернизацию ранее выпускаемых координатно-расточных станков имеющих различные компоновочные схемы. К таким станкам можно отнести высокоточные станки моделей 2458, 2459, 2А459АМФ4, 24К40СФ4 и ряд других широко используемых в оборонной промышленности, так и в народном хозяйстве в целом. Поэтому, исследования направленные на повышение точности существующего металлорежущего оборудования является весьма актуальной задачей современного производства.
Известны [27, 28, 70, 86, 93 и др.] в нашей стране и за рубежом системы автоматического управления положением корпусных деталей, в частности станин, относительно фундамента. Однако, управление положением самой корпусной заготовки относительно зеркала стола, так, например стабилизации осей растачиваемых отверстий и шпиндельного узла, является новым направлением повышения точности станка. Это особенно характерно при выполнении ряда технологических операций, таких как растачивание глубоких отверстий. Поэтому разработка этого метода позволяет существенное повышение точности металлорежущего оборудования.
Исследования выполнялись по заказу Федерального государственного унитарного предприятия НКТБ «ПАРСЕК» (г. Тольятти) в различные годы с 2003 по 2005 г.г.
Цель настоящей работы - повышение точности технологических систем горизонтальных координатно-расточных станков методом автоматической стабилизации осей растачиваемых отверстий обрабатываемых корпусных заготовок и шпиндельных узлов.
Для достижения поставленной цели потребовалось провести анализ и исследовать факторы, существенно влияющие на точность координатно-расточных станков в целом, так и горизонтальной компоновочной схемы в особенности. В соответствии с полученными результатами возникла необходимость решить следующий комплекс научно-исследовательских задач;
Разработать описание влияния силовых деформаций станины горизонтального координатно-расточного станка на его точность с использованием метода конечных элементов.
Разработать математическую модель корпусной заготовки с гидродомкратом как объект управления.
С учетом результатов п. 2 создать динамическую модель технологической системы горизонтального координатно-расточного станка и исследовать на ней влияние гидродомкрата на уровень относительных колебаний инструмента и заготовки.
Исследовать экспериментально влияние на точность станка точек рационального размещения штатных опор, относительно которых он устанавливается на фундамент.
Осуществить экспериментальные исследования влияни
На основе проведенных исследований разработать, изготовить и отладить систему автоматической стабилизации осей растачиваемых отверстий и шпиндельного узла горизонтального координатно-расточного станка.
Методы исследования:
Теоретические исследования базируются на методах классической меха- ники, линейной алгебры, теории вероятности и математической статистики. Вопросы анализа и синтеза систем управления решались методами дифференциального и интегрального исчислений, операторным и частотным методами, численными методами. Исследования объектов и систем управления проводились экспериментальными методами, в той числе в условиях промышленной эксплуатации станков. Научная новизна работы:
1. Разработан комплексный численно-аналитический метод описания влияния силовых деформаций станины станка на его точность на основе мето да конечных элементов.
Разработана математическая модель корпусной заготовки с гидродомкратом как объект управления, необходимая для синтеза высококачественного регулятора автоматической системы регулирования.
Установлено влияние динамики технологической системы с гидродомкратом горизонтального координатно-расточного станка на уровень относительных колебаний инструмента и заготовки.
Практическая ценность. На основе проведенных исследований, получены инженерные методики расчета обеспечения точности горизонтальных ко-ординатно-расточных станков, что позволяет на этапе проектирования создавать современное прецизионное металлорежущее оборудование, учитывая при этом влияние стыков, общих деформаций несущих систем, а также рациональное размещение штатных опор.
Реализация результатов работы. Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований внедрены: в виде комплекса инженерных методик расчета точности прецизионных горизонтальных координатно-расточных станков (Федеральное государственное унитарное предприятие "Научно конструкторско-технологическом бюро ПАРСЕК", г. Тольятти); в виде рекомендаций и методики постановки и проведения вычисли- тельных и натурных экспериментов повышения точности горизонтальных координатно-расточных станков (Самарский государственный технический университет); - в виде системы автоматической стабилизации осей растачиваемых отверстий и шпиндельного узла прецизионных станков (Опытное производство Федерального государственного унитарного предприятия "Научно конструкта рско-технол о ги чес ком бюро ПАРСЕК", г. Тольятти).
Апробация работы. Основные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научно-технической конференциях "Высокие технологии в машиностроении (Самара, 2002) [42], "Современные технологии в машиностроении" (Пенза, 2003) [33], "Высокие технологии в машиностроении" (Самара, 2004) [42], "Теплофизиче-ские и технологические аспекты управления качеством в машиностроении" (Тольятти, 2005) [101], "Автоматизация и производственный контроль" (Тольятти, 2006) [102].
Публикации: по теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе 3 из них в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 5 публикаций в трудах и материалах международных, всероссийских научно-технических конференций, 2 патента РФ на изобретения.
На защиту выносятся основные научные положения:
1. Математическая модель станины горизонтального координатно- расточного станка, разработанная на основе метода конечных элементов.
Математическая модель корпусной заготовки с гидродомкратом как объект управления, необходимая для синтеза высококачественного регулятора автоматической системы регулирования.
Динамическая модель технологической системы с гидродомкратом горизонтального координатно-расточного станка и результаты исследований влияния уровня относительных колебаний инструмента и заготовки.
4. Техническая реализация системы автоматической стабилизации осей растачиваемых отверстий и шпиндельного узла станка.
Структура и объем работы.
Диссертационная работа состоит из введения, четырех разделов, основных результатов и выводов, изложенных на 15І странице машинописного текста, списка используемых источников 163 наименований. Содержит 49 рисунков и 7 таблиц. Общий объем работы 172 страниц сквозной нумерации.
Работа выполнена на кафедре "Автоматизированные станочные комплексы" Самарского государственного технического университета в период обучения в аспирантуре с 2002 по 2006 г.г.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обосновывается актуальность работы, формулируется ее цель и задачи исследований. Указываются методы исследования и защищаемые научные результаты. Определяется практическая ценность полученных результатов.
В первом разделе осуществляется анализ факторов влияющих на точность координатно-расточных станков и рассмотрение методов ее повышения.
Прецизионные координатно-расточные станки должны обладать высокой степенью точности и производительности. Обеспечение точности представляет собой целый комплекс конструкторских, технологических и эксплуатационных задач. Их эффективное решение позволяет на стадии проектирования прогнозировать, а при эксплуатации поддерживать точностные характеристики станков.
В станкостроении накоплен существенный опыт в оценке точности технологического оборудования и разработке эффективных путей его повышения. Значительный вклад внесли отечественные и зарубежные ученые: Б.С. Балак-шин, Б.М. Базров, Б.М. Бржозовский, A.M. Дальский, М.Г. Косов, В.Г. Мит- рофанов, Д.И. Решетов, Э.В. Рыжов, Ю.М. Соломенцев, А.Г. Суслов, Н. Blok, F.P. Bowden, D. Tabor и др.
Одним из наиболее перспективных методов повышения и поддержания точности станков является оснащение их специальными системами автоматического управления, позволяющих управлять различными элементами технологических систем станков, существенно повышая их точностные показатели.
При обработки заготовок значительной массы, а также наличие подвижных узлов в станках приводит к возникновению деформаций несущих систем. Особенно это относится к станинам прецизионных координатно-расточных станков, устанавливаемым на фундамент на три опорные точки. Как следствие, за счет отклонения взаимного положения режущего инструмента и обрабатываемой заготовки, это приводит к снижению их геометрической точности.
Во втором разделе приведены аналитические исследования влияния силовых деформаций технологической системы прецизионных станков на их точность.
При расчете выполняется построение геометрической и конечпоэле-ментной модели рассчитываемой конструкции, приложение условий закрепления и сил, расчет напряженно-деформированного состояния, затем определяются смещения базовых точек (на поверхностях корпусных деталей, по которым базируются подвижные узлы), определяется пространственное положение подвижных узлов станка и, вычисляются смещения инструмента и заготовки.
Методика расчета реализована с использованием программы конечно-элементного анализа ANSYS.
На основе выполненных расчетов корпусных деталей металлорежущих станков можно сделать следующие рекомендации по отношению к их геометрическим и конечноэлементным моделям: !. Из геометрической модели должны быть исключены все конструктивные элементы, не оказывающие существенного влияния на деформации конст- рукции (небольшие отверстия, приливы, окна и т. п.). Данное требование необходимо, в основном, для обеспечения более качественного конечно-элементного разбиения.
Несмотря на наличие во многих САЕ-системах собственных геометрических препроцессоров, геометрические модели следует строить в CAD-системах, а уже затем передаваться в САЕ-системы через трансляторы. При этом желательно их строить путем упрощения уже существующих конструкторских моделей. Данный подход обеспечивает лучшее качество и меньшие сроки подготовки геометрических моделей.
Для конечноэлементной модели следует использовать сетку из тетраэдрических элементов второго порядка (с дополнительными узлами на серединах сторон). Преимущество тетраэдрических элементов перед элементами с другой топологией заключается в том, что при их использовании обеспечивается возможность автоматического разбиения геометрической модели на конечные элементы. Существующие в настоящее время алгоритмы разбиения на гексаэдрические элементы не обеспечивают возможности такой автоматизации разбиения для объемов сложной формы. Использование тетраэдрических элементов второго порядка обусловлено тем, что они дают более точные результаты по сравнению с тетраэдрическими элементами первого порядка (без дополнительных узлов на серединах сторон) при одном и том же количестве узлов в конечноэлементной модели.
Следует сгущать конечноэлементную сетку вблизи точек, смещения которых представляют интерес.
Для оценки погрешности расчета, связанной с размерами конечных элементов, необходимо проводить расчет несколько раз для разных вариантов конечноэлементных сеток, отличающихся друг от друга размерами конечных элементов. При этом размеры конечных элементов для различных участков модели следует уменьшать пропорционально друг другу.
Осуществлено математическое описание модели корпусной заготовки с гидродомкратом как объекта управления. Найдены передаточные функции (по управляющему и возмущающему воздействиям. Получены динамические структуры канала объекта управления. Аналитические выражения и структуры позволяют синтезировать систему автоматической стабилизации осей растачиваемых отверстий и шпиндельного узла с высокими показателями динамического качества.
Для изучения отдельных динамических параметров упругой системы на точность, разработана 5-й массовая динамическая модель технологической системы горизонтального координатно-расточного станка. При этом принято, что отдельные узлы станка и обрабатываемая корпусная заготовка перемещаются как абсолютно жесткие тела, а деформации сосредоточены в стыках.
В результате расчетов, получены АЧХ и ФЧХ относительных колебаний подсистемы "инструмент-корпусная заготовка", которые позволили сделать вывод, что установка гидродомкрата, вместо одной из жестких опор снижает величину и частоту амплитуд колебаний примерно на 15%. Это позволит снизить величину шероховатости растачиваемых отверстий.
Третий раздел посвящен описанию экспериментальных исследований повышения точности технологической системы горизонтального координатно-расточного станка модели 2459АФ1. На его базе разработана экспериментальная установка, дающая возможность на опыте проверить результаты теоретических исследований.
Для изменения угловых положений корпусной заготовки установка оснащена двухканальной замкнутой системой автоматического управления. Один из контуров которой, управляет гидродомкратом, размещенном на столе-спутнике в место одной из опор на которой базируется корпусная заготовка и взаимодействующим с ней. Другой не задействованный канал может использоваться для решения других иных задач управления упругой системой станка.
Функциональная схема одного канала автоматической системы регулирования включает: электронные уровни угловых положений (ДУІ) и (ДУ2), установленных на корпусной заготовке и стойке соответственно.; измерительно-управляющий блок (ИУБ); управляющий золотник типа Р34Э1-С6/200, работающий в режиме электрогидропреобразователя (Э/77); датчик давления рабочей среды ІДД) модели ТМД-15 и станцию гидравлического давления (ГС). Для контроля уровня силовых деформаций экспериментальная установка оснащена специальной измерительной базой; комплектом механотронных датчиков перемещений 6МХ5С.
Таким образом, экспериментальная установка, оснащенная автоматической системой регулирования положением корпусной заготовки, позволяет непрерывно стабилизировать положение осей растачиваемых отверстий корпусной заготовки относительно оси шпиндельного узла прецизионного координатно-расточного станка.
Для оценки эффективности работы автоматической системы регулирования положением корпусной заготовки, ее аттестации в рабочем пространстве координатно-расточного станка, а также проведения точностных испытаний металлорежущего оборудования, разработан лазерный автоматизированный метрологический комплекс. Он предназначен для повышения геометрической точности программно-управляемых станках путем автоматической коррекции выявленных объемных погрешностей.
Вычисленные поправки вводятся в ЧПУ станка и затем используются при обработке заготовок.
Представлены результаты экспериментальных исследований упругих перемещений станины и их влияние на геометрическую точность технологической системы горизонтального координатно-расточного станка.
Установлено, что перемещения отдельных точек станины по абсолютной величине достигают 20,0...25,0 мкм при изгибе со сдвигом и кручении - 1,5... 2,0 угловых секунды.
Сравнение расчетных и экспериментальных величин деформаций показывает, что они имеют достаточно хорошее совпадение. При этом погрешность величины прогиба станины полученная расчетом не превышает 15%. Это подтверждает адекватность принятой модели реальному объекту.
Проведенные экспериментальные исследования станины показали, что смещение инструмента относительно обрабатываемой заготовки в следствии наклона стойки составляют в вертикальном направлении 16,0...17,0 мкм, а горизонтальном - 40,0...42,0 мкм.
Для снижения уровня указанных силовых деформаций и повышения геометрической точности технологической системы прецизионного станка были исследованы различные пути ее повышения и, в частности, поиск рационального размещения штатных опор станка.
Как показал специально проведенный анализ, изгибныс деформации станины, приведенные в зону резания, вызывают перемещения инструмента относительно обрабатываемой заготовки в вертикальном направлении 10,0...11,0 мкм, а в горизонтальном - 25,0...27,0 мкм. Это не обеспечивает соответствующих норм для прецизионных станков класса точности /7 и тем более Л.
Предлагается с помощью системы ЧПУ осуществлять коррекцию программы обработки корпусных заготовок, компенсируя вертикальные смещения инструмента, вызванные силовыми деформациями станины.
Метод коррекции программы обработки предлагается использовать в комплексе с автоматической системы регулирования положением корпусной заготовки, что позволит существенно повысит геометрическую точность технологической системы горизонтального координатно-расточного станка.
Четвертый раздел посвящен оценке эффективности повышения точности технологических систем координатно-расточных станков путем автоматической стабилизации осей растачиваемых отверстий и их шпиндельных узлов. Сравнительные исследования выполнялись на горизонтальном координатно- расточном станке модели 2459АФ1 при функционировании автоматической системы регулирования и без нее.
В качестве наиболее характерного вида обработки на станке выбрана расточка отверстий в корпусных заготовках. При этом для получения достоверных результатов в проводимых опытах использовались методы математической статистики. Во всех случаях обеспечивалась надежность а = 0,96 и точность оценки среднего квадратического отклонения в пределах ±0,4 S.
Подводя итог экспериментальному исследованию точности обработки на горизонтальных координатио-расточных станках, можно утверждать, что использование автоматической системы стабилизации осей растачиваемых отверстий и шпиндельного узла снижает погрешности, вызванные силовыми деформациями станины, в среднем в 4 раза. При этом поле рассеивания случайных величин уменьшается в 1,2 раза, что обусловлено введением в упругую систему станка дополнительного демпфирующего элемента - гидродомкрата.
По сравнению с аналогичным станком, не оснащенным автоматической системой регулирования система позволяет повысить класс точности станка на один класс, то есть перевести его из класса 77 в класс А.
class1 АНАЛИЗ ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА ТОЧНОСТЬ КООРДИНАТНО-
РАСТОЧНЫХ СТАНКОВ, И МЕТОДЫ ЕЕ ПОВЫШЕНИЯ class1
Анализ погрешностей и методы контроля характеристик координатно-расточных станков
Прецизионные координатно-расточные станки предназначены для обработки заготовок с высокой точностью и производительностью. Обеспечение точности станка представляет собой целый комплекс конструкторских, технологических и эксплуатационных задач. Их эффективное решение позволяет на стадии проектирования прогнозировать, а при эксплуатации поддерживать точностные характеристики станков [1, 6, 16, 17, 26, 36, 40, 41, 50, 79, 89, 90, 91, 92,94,97, 109, ИЗ, 118, 119, 124, 134, 139,159,162 и др.].
Установка на стол станка заготовок различной массы, а также наличие подвижных в его конструкции узлов, приводят к возникновению изменяемых при эксплуатации силовых деформаций станин. Как следствие, происходит снижение геометрической точности станка [2, 8, 19, 27, 38, 39, 83, 92, 111 и др.].
Это особенно актуально применительно к прецизионным горизонтальным координатно-расточным станкам, па которых осуществляется расточка отверстий и другие высокоточные операции.
В связи с этим исследование и анализ факторов, оказывающих влияние на точностные характеристики прецизионного оборудования, является существенным резервом в получение высокоточных обрабатываемых деталей.
1.1 Анализ погрешностей и методы контроля характеристик координатно-расточных станков
Координатно-расточные станки предназначены для обработки заготовок с высокой степенью точности и производительностью. Однако, обработка заготовок различных (часто значительных) масс и габаритов, наличие подвижных узлов на станине приводит к возникновению собственных и контактных деформаций в различных звеньях несущей системы. В результате, происходит отклонение взаимного положения режущего инструмента и обрабатываемой заготовки, и как следствие существенно снижается геометрическая точность технологической системы. Учитывая, что на координатно-расточных станках осуществляется, как правило, обработка крупногабаритных корпусных заготовок, то и зона обработки располагается на значительном расстоянии от зеркала стола. Шпиндельная бабка со шпинделем находятся при этом в крайнем верхнем положении на направляющих стойки, что даже при незначительных взаимных угловых смещениях базовых деталей, приводит к существенным относительным перемещениям вершины режущего инструмента и обрабатываемой заготовки (рисунок 1.1).
Разработка методики расчета силовых деформаций станин станков методом конечных элементов
Оценка деформаций станин, особенно высокоточного металлорежущего оборудования, встречает значительные трудности. Это обусловлено значительной трудоемкостью разработки расчетных схем при использование аналитических методов. Использование метода конечных элементов позволяет, опираясь на современные разработки и быстродействующие компьютерные системы значительно сократить время исследований. В настоящем разделе работы разработана методика расчета станин высокоточных коордииатно-расточных станков, установленных на три опорные точки относительно фундамента, с учетом силовых воздействий воспринимаемых ими со стороны подвижных узлов и обрабатываемых корпусных заготовок.
На рисунке 2.1. представлена общая схема методики расчета станины прецизионного координатно-расточного станка с использованием метода конечных элементов.
Исходными данными для расчета являются геометрическая форма рассматриваемых корпусных деталей, силы и условия закрепления, приложенные к ним, а также расположение зоны резания и подвижных узлов станка.
Результатами расчета являются отклонения формы обрабатываемой детали, обусловленные деформациями рассматриваемых корпусных деталей.
При расчете выполняется построение геометрической и конечноэлемент-ной модели рассчитываемой конструкции, осуществляется приложение сил, проводится расчет напряженно-деформированного состояния, затем определяются смещения базовых точек (на поверхностях корпусных деталей, по которым базируются подвижные узлы), определяется пространственное положение подвижных узлов станка и вычисляются смещения инструмента и заготовки. На основе приведенных смещений вычисляются составляющие погрешностей обработки размеров для заданного расположения подвижных узлов.
Методика расчета реализована с использованием программы конечно-элементного анализа ANSYS. Для выполнения операций, не специфичных для корпусных деталей металлорежущих станков, используются встроенные средства ANSYS [108].
Экспериментальные исследование силовых деформаций технологической системы горизонтально координатно-расточного станка
Силовые деформации корпусных деталей прецизионных координатно-расточных станков в значительной степени определяют геометрическую точность и соответственно, точность обработки выполняемых на них.
Настоящий раздел посвящен экспериментальным исследованиям силовых деформаций несущей системы горизонтального координатно-расточного станка модели 2459АФ1 и их влиянию на его точность. На базе этого станка выполнена экспериментальная установка, описание которой приведено далее в настоящем разделе.
Экспериментальная установка дает возможность на опыте проверить результаты теоретических исследований. Позволяет осуществить выбор рационального положения штатных опор по критерию минимума силовых деформаций, а также эффективность системы автоматической стабилизации осей растачиваемых отверстий и шпиндельного узла.
3.1 Экспериментальные исследование силовых деформаций технологической системы горизонтально координатно-расточного станка
Силовые деформации несущей системы приводят к изменению взаимного положения отдельных узлов металлорежущих станков. Это касается и высокоточных прецизионных координатно-расточных станков. При эксплуатации возникают как контактные, так и собственные деформации упругой системы станка. Оценка их величины позволяет выявить наиболее слабые звенья и оценить их влияние на точностные характеристики станка. Для испытаний стол и салазки станка устанавливались в среднее положение па направляющих станины. На рисунке ЗЛ изображена схема нагрузочного устройства, смонтированного на прецизионном координатно-расточном станке модели 2459АФ1. В шпинделе станка устанавливалась специальная оправка 1 с шариком в центре для передачи нагрузки. Нагрузка создавалась винтовым домкратом 3, укрепленным в кронштейне 4 на поворотном столе 5. Поворотный стол крепился в угольнике на столе станка.
Методика экспериментальных исследований точности обработки на станках, оснащенных системами автоматической стабилизации
Упругие деформации станин под действием сил веса подвижных узлов, стойки (в сборе), стола-спутника с обрабатываемой корпусной заготовкой приводят к потере геометрической точности технологических систем прецизионных станков.
В настоящей главе исследуется влияние силовых деформаций станины горизонтальных координатно-расточных станков средних габаритов на точность и перпендикулярность осей растачиваемых отверстий при обработке корпусных заготовок.
4.1 Методика экспериментальных исследований точности обработки на станках, оснащенных системами автоматической стабилизации
Одним из наиболее перспективных путей повышения точности металлорежущих станков является оснащение их специальными системами автоматического регулирования. Эти системы позволяют управлять, например, жестко-стиыми параметрами корпусных деталей станков, положением обрабатываемых заготовок относительно зеркала стола, режущим инструментом и так далее. Тем самым из баланса точности практически полностью исключаются составляющие, вносимые технологической системой станка.
Известно, что на качество обрабатываемых поверхностей значительное влияние оказывают погрешности, вносимые технологической системой станка.
В общем виде суммарная погрешность обработки партии заготовок определяется следующим известным выражением [114]:
