Введение к работе
Актуа-льность темы. При обработке высокоточных деталей из легких сплавов и композитов, применении инструментов из сверхтвердых материалов, освоении нанотехнологий и технологий сверхскоростной обработки материалов необходима высокая точность и частота вращения шпинделей металлорежущих станков. Необходимо также исключить появление вибраций, отрицательно влияющих на стойкость инструмента и чистоту обработки. Этим требованиям достаточно полно отвечают гидростатические подшипники (ГП) по точности вращения, жесткости, виброустойчивости, долговечности и ряду других функциональных качеств превосходящие подшипники качения и гидродинамические подшипники.
Еде более широкие перспективы имеят гидростатические подшипники активного типа (АГП), применение которых придает шпиндельному узлу (ШУ) функции адаптивной системы управления, стабилизирующей размер статической настройки станка при изменении сил резания. Это достигается автоматической компенсацией упругих деформаций шпинделя и других элементов станка, за счет отрицательной податливости АГП.
Кроме того АГП эффективно использовать как источник дина-: неметрической информации для управления режимами резания, диагностики состояния режущего инструмента и др.
Известно, что при высокой частоте вращения шпинделя характеристики ГП существенно' изменяется: устанавливается турбулентный режим циркуляции смазки в несущих карманах; увеличивается нагрузочная способность; из-за повышения температуры смазки уменьшается ее вязкость, а значит и демпфирующая способность; возрастают потери мощности; возникает опасность каєитационноЯ неустойчивости и параметрического резонанса и др. Влияние этих факторов недостаточно изучено для ГП и практически не изучено для АГП.
Научная задача, решаемая в работе> заключается в установлении взаимосвязи конструктивных и режимных параметров шпиндельных узлов с ГП и АГП с их эксплуатационными техническими характеристиками.
Цель исследования. Улучшение нагрузочных и
и энергетических характеристик высокоскоростных шпиндельных узлов с пассивными и активным! гидростатическими подшипниками за счет оптимичации их конструктивных и ретамных параметров.
Общая методика исследований. Теоретические разработки основаны на положениях гидродинамической ' теории смазки, теории упругости и теории автоматического регулирования. Использованы детерминированные математические, модели, которые представлены в размерной и безразмерной формах, деленное исследование моделей выполнено На ЭШ ECI046 и ІШ PC/AT . 386. Статические характеристики ШУ с ГП и АГП исследованы в нелинейной, а динамические - в линейной постановке. Основные теоретические выводы проверены экспериментально на специальных моделирующих стендах и опытные образцах.
Научная новизна:
- разработаны более совершенные математические модели и алгорит
мы расчета на ЭН« статических и динамических характеристик ШУ
с ГП и АГО, в которых учтены: гидродинашческий эффект'в условиях гидростатического режима смазки, изменение вязкости и температуры рабочего слоя смазки, турбулиэация потока смазки и его циркуляция в объеме кармана, учет этих факторов при расчете. потерь мощности на трение, возникновение кавитации в разгруженном несущем кармане, перемещение шпинделя по двум координатам, а такге его изгиб к перекос в системе шпиндельного узла;
исследовано влияние эффектов вращения на точностные, нагрузочные и энергетические характеристики ГП с пассивной и активной компенсацией расхода, определены условия отсутствия кавитации и неустойчивости в опорах при различной активности регуляторов расхода смазки; '
предложены алгоритмы многолараметрической оптимизации нагрузочных и энергетических характеристик шпиндельного узла с ГП
и АГП. , ,
А в т о р з а.щ и щ а е т:
новые конструкции адапуинчых. гидростатических подшпшпчов и рациональнее компоновкивысокоскоростных шпиндельных узлов с АГП, рекомендаций по выбору параметров, обеспечивающих их оптимальные характеристики; "'.-
математические модели и алгоритмы их рёвения, позволяющие. . учесть при исследовании влияние факторов, характерных для вы-
сокоскоростных шпиндельные узлов;
результаты теоретических и экспериментальных исследований статических и динамически-? характеристик гидростатических подшипников высокоскоростных ШУ;
подсистему САПР и прикладную методику расчета и проектирования ШУ с АГП;
результаты практического применения разработок.
Практическая ценность работы:
возможность в 1,5-2,5 раза увеличить нагрузочную способность ШУ с ГП и обеспечить нулевую технологическую податливость на конце шпинделя, снизить- влияние изменяющихся частот вращения на точность положения шпинделя, расширить область бескапитаци-онной работы и уменьшить в 2-3 раза потери мощности на трение за счет применения в ЇЇ1 активной компенсации расхода и оптимизации их конструктивных к режимных параметров;
конструкции активных гидростатических подшипников, затаенные авторскими свидетельствами и типовые компоновки ШУ с использованием АГП;
рекомендации по выбору оптимальных параметров, руководящие технические материалы и подсистема САПР, позволяющие спроектировать ШУ с АГП с заданным! эксплуатационными характеристиками.
Реали з а ц и я. Конструкторская документация на раз
работанные шпиндельные узлы передана"предприятиям: МСПО "Крас
ный пролетарий" (г.Москва), п/я Г-4805 (г.Красноярск). ПО
"Тягстанкогидропресс" (г.Новосибирск). Саратовским НИТИ (Мйн-
авкапром) изготовлен двухшпиндельнкй токарный ПОТ МТД-90І с
активным! гидростатическими-подшипниками-преобразователями в
качестве опор шпинделей. Решения использованные при разработке
шпиндельного узла ОТД-90І защищены авторскими свидетельствами
на изобретения. "
Руководящие технические материалы по расчету и проектированию ШУ с АГП и активных гидростатических подшипников-преобразователей внедрены с фактическим экономическим эффектом (в ценах 1988-1990 г.г.): НИТИ (г.Саратов) - 17000 рублей; п/я Г-4805 (г.Красноярск) - 17000 рублей. На КСПО "[{расшй пролетарий"-(г.Москва), внедрена подсистема САПР для АГП с долевым экономическим эффектом 9000 рублей.
Результаты внедрения я экономический эффект подтверждены соответствующими актами.
Апробация. Основные положения .работы доложены на Всесоюзных конференциях: "Динамика станочных систем гибких автоматизированных производств" (г.Тольяти, 1988г.); "Унификация и специализация производства составных частей и оборудования" (г.Калининград, 1989г.); "Повышение надежности автоматических станочных систем" (г.Хабаровск, 1990г.); "Надежность технологического оборудования, качество поверхности, трение и износ" (г.Хабаровск, 1991г.) и на международных семинарах - "Оптимиза- . ция эксплуатационных свойств опор скольжения" (г.Рыбинск, 1990г.), "Проблемы техники И технологии XXI века" (г.Красноярск, 1994г.), а также на научных семинарах кафедры "Технология машиностроения" Красноярского государственного технического университета (1937-1994 г.г.).
П у б ли к а ц и и. По теме диссертации опубликовано 22 печатные работы, из них 9 авторских свидетельств, б статей, 7 тезисов докладов, I информационный листок.
О б ъ е м р а 6 о т ы. Диссертация состоит из введения, 5 разделов с выводами и заключения. Работа изложена на 113 страницах машинописного текста, содержит 8Ґ рисунок и библиографический список,, включающий 101 наименование. Общий объем диссертации 168 страниц.
