Введение к работе
Актуальность темы. Современное станкостроение характеризуется резким ростом технических характеристик, стимулируемых совершенствованием производственного процесса и повышением точности и качества обработки. В этом направлении приоритет отдается высокоскоростной обработке. Ее успешная реализация во многом зависит от точности работы шпиндельного узла (ШУ), так как решающую роль на формообразование обрабатываемой детали играют шпиндель и шпиндельные опоры.
В современных конструкциях высокоскоростных ШУ используют опоры качения, электромагнитные подвесы, гидростатические и газостатические подшипники. Каждый из этих типов опор имеет свои преимущества и недостатки.
В большинстве случаев высокоскоростные шпиндели устанавливают на опоры качения, что объясняется хорошо налаженным производством шарикоподшипников и простотой их замены. В то же время работа таких подшипников сопровождается тепловыми смещениями, они имеют ограниченный ресурс, обусловленный неизбежным износом тел и дорожек качения и т.д.
Высокой быстроходностью обладают ШУ на электромагнитных опорах. При их использовании появляется возможность управления положением шпинделя в процессе обработки, а также возможность изменения жесткости и демпфирования. Однако широкое применение ШУ на электромагнитных опорах пока не получили, что связано с их высокой стоимостью, сложностью конструкции, систем управления, применением диамагнитных материалов, возможностью нагрева шпинделя, громоздкостью и высокой инерционностью индукционной системы и т.д.
Гидростатические опоры просты по конструкции, имеют достаточно высокую жесткость, несущую и демпфирующую способность смазочного слоя, что позволяет обеспечить высокую точность работы ШУ.
Вместе с этим, эксплуатация гидростатических подшипников в реальных условиях выявила их существенный недостаток, заключающийся в значительном выделении тепла в результате относительного скольжения слоев смазки.
ШУ на газостатических опорах обладают рядом достоинств. Они имеют высокую точность вращения, которую можно добиться в пределах 0,05 мкм как в осевом, так и в радиальном направлении. Из-за отсутствия контакта между шпинделем и вкладышем подшипника эта точность не меняется со временем, что определяет высокую параметрическую надежность ШУ. Благодаря низкому коэффициенту трения воздушной подушки такие подшипники способны развивать большую быстроходность ШУ (порядка 2,5 млн мм/мин) при отсутствии времени на «разогрев» шпинделя. Газостатические подшипники имеют простую конструкцию и практически не требуют обслуживания.
Благодаря хорошим характеристикам ШУ на газостатических опорах по биению они могут быть использованы, например, для сверления глубоких отверстий с соотношением длины сверла к диаметру более 10 без опасности поломки инструмента. Фрезерование мелкими фрезами на больших скоростях также благодаря низкому биению делает применение таких ШУ реальной альтернативой электроэрозионной обработке даже глубоких контуров.
У газостатических подшипников ШУ есть и определенные недостатки, которые заключатся в сравнительно невысокой несущей и демпфирующей способности смазочного слоя. Поэтому ШУ на газостатических опорах применяются на стадии финишной обработки с малыми припусками.
Анализ отраслевых конструкций ШУ на газостатических опорах показывает, что в их составе в основном используются газовые подшипники с дросселирующими питающими отверстиями. Исследованиями, выполненными в Комсомольском-на-Амуре ГТУ, установлено, что расширить область рационального использования ШУ на газостатических опорах способны частично пористые подшипники с внешним наддувом газа. Однако круг работ, посвященных исследованию особенностей работы таких подшипников с разной формой организации наддува газа в зазор, остается узким. Поэтому актуальной является задача исследования эксплуатационных характеристик частично пористых газостатических шпиндельных опор, которые потенциально способны обеспечить более высокие выходные характеристики высокоскоростных ШУ.
Исследованию этого вопроса и посвящена настоящая работа.
Цель и задачи работы. Целью работы является повышение технического уровня высокоскоростных ШУ металлорежущих станков путем совершенствования характеристик частично пористых газостатических опор.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
- разработать научно обоснованную методику проектирования шпиндельных однорядных газостатических подшипников с пористыми шпоночными вставками на базе создания математической модели, алгоритма и программы расчета их эксплуатационных характеристик;
- выполнить численное и экспериментальное исследование эксплуатационных характеристик радиальных газостатических подшипников с пористыми вставками в зависимости от различных конструктивных и режимных параметров;
- сравнить характеристики известных конструкций частично пористых подшипников высокоскоростных ШУ с опорой исследуемого типа;
- выработать рекомендации и разработать инженерную методику по проектированию газостатических опор с однорядными пористыми шпоночными вставками применительно к высокоскоростным шлифовальным шпинделям;
- спроектировать и испытать опытно-промышленный образец высокоскоростного шпинделя шлифовального станка с газостатическими опорами исследуемого типа.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- предложена научно обоснованная методика расчета характеристик радиальных однорядных газостатических подшипников с пористыми шпоночными вставками;
- установлены зависимости эксплуатационных характеристик радиальных однорядных газостатических подшипников с пористыми шпоночными вставками от различных конструктивных и режимных параметров, которыми удобно пользоваться при проектировании высокоскоростных ШУ;
- приведены результаты экспериментальных исследований однорядных газостатических подшипников с пористыми шпоночными вставками, а также выполнено их сравнение с характеристиками известных конструкций частично пористых газостатических шпиндельных опор.
Метод исследования сочетает физический эксперимент и теоретический анализ. Численное решение уравнения Рейнольдса ведётся итерационным методом Гаусса – Зейделя. При экспериментальном исследовании характеристик применяются апробированные на практике методики измерения и обработки опытных данных.
Достоверность результатов работы обеспечивается применением хорошо известной в теории газовой смазки системы исходных уравнений и подтверждается сравнением теоретических и экспериментальных зависимостей эксплуатационных характеристик подшипника.
Практическая ценность работы заключается в разработанной программе для ПЭВМ по расчёту эксплуатационных характеристик радиальных однорядных газостатических подшипников с пористыми шпоночными вставками, которая позволяет эффективно решать задачу проектирования газостатических опор высокоскоростных ШУ.
Предложена защищенная патентом РФ конструкция газостатического подшипника с пористыми шпоночными вставками для высокоскоростных ШУ.
На основе проведённых исследований выработаны рекомендации по проектированию и применению исследуемого типа опор.
Создан опытно-промышленный образец высокоскоростного ШУ шлифовального станка мод. 3К227А, который используется в ОАО «Комсомольское-на-Амуре авиационное производственное объединение» им. Ю.А. Гагарина.
Результаты работы используются также в учебном процессе в ГОУВПО «КнАГТУ» на кафедре «Технология машиностроения».
Личный вклад автора состоит в разработке математической модели течения газа в зазоре однорядного газостатического подшипника с пористыми шпоночными вставками и методики численного расчёта его эксплуатационных характеристик, на основе которых разработан алгоритм и программа расчета на ПЭВМ. Проведены экспериментальные и теоретические исследования эксплуатационных характеристик опор с частично пористыми вставками с последующим анализом полученных результатов. Выполнен сравнительный анализ характеристик известных конструкций частично пористых газостатических опор ШУ с подшипником исследуемого типа. Разработана инженерная методика и рекомендации по проектированию исследуемого типа газовых опор высокоскоростных ШУ.
При личном и непосредственном участии автора разработана конструкция высокоскоростного ШУ внутришлифовального станка.
На защиту выносятся:
- методика и алгоритм расчёта эксплуатационных характеристик радиальных однорядных газостатических подшипников с пористыми шпоночными вставками;
- теоретические и экспериментальные зависимости эксплуатационных характеристик опор от конструктивных и режимных параметров;
- результаты сравнительного анализа характеристик известных конструкций шпиндельных частично пористых газостатических опор с подшипником исследуемого типа;
- инженерная методика и рекомендации по проектированию радиальных однорядных шпиндельных опор с пористыми шпоночными вставками.
Апробация работы. Научные положения и результаты докладывались и обсуждались на международных и всероссийских научно-практических конференциях: «Исследование, разработка и применение высоких технологий в промышленности» (С.-Петербург, 2007 г.), «Математическое моделирование» (Москва, 2007 г.), «Технические науки и современное производство» (Пекин, 2007 г.), «Современные проблемы науки и образования» (Москва, 2009 г.).
Основные результаты работы докладывались также на профилирующих кафедрах КнАГТУ (2006-2009 гг.).
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 9 работах, включая патент на изобретение.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырёх глав, заключения, библиографического списка. Работа содержит 161 страницу, включает 77 рисунков и 4 таблицы. Библиографический список охватывает 157 литературных источника.
Диссертационная работа выполнена при поддержке гранта 15-И-19 Министерства экономического развития и внешних связей Хабаровского края по проекту «Создание высокоскоростных прецизионных шпиндельных узлов металлорежущих станков с высокими эксплуатационными характеристиками и повышенной параметрической надежностью».
