Введение к работе
Актуальность темы. Высокоскоростная обработка (ВСО) материалов, является приоритетным направлением развития современной технологии машиностроения.
Актуальной задачей для успешной реализации всех преимуществ ВСО является разработка опор шпиндельных узлов (ШУ). В современных конструкциях высокоскоростных ШУ применяют опоры качения, гидростатические, гидродинамические, электромагнитные и газостатические подшипники. Каждый из этих типов опор имеет свои преимущества и недостатки. Так, для подшипников качения предельная быстроходность составляет всего 1,4106 мм/мин. Кроме того, потеря заданной точности вращения наступает после 1000…2000 часов работы ШУ, что связано с износом тел качения и колец подшипников. К изменению точности механообработки ведет также увеличение температуры опор качения.
Недостаток опор скольжения с жидкой смазкой состоит в значительном выделении тепла в результате относительного скольжения слоёв 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 обеспечить большую быстроходность ШУ (порядка 2,5 106 мм/мин) при отсутствии времени на «разогрев» шпинделя. Главным недостатком газовых подшипников является невысокая несущая и демпфирующая способность смазочного слоя, что при повышенных силах резания может привести к потере устойчивой работы подшипника. Поэтому также опоры применяют в малонагруженных ШУ, когда динамические нагрузки малы, а статические регламентированы.
Применение электромагнитных опор связано с ростом стоимости ШУ из-за необходимости использования сложной электронной аппаратуры и дополнительных периферийных компонентов.
Исследованиями, выполненными в КнАГТУ, установлено, что заметно улучшить эксплуатационные характеристики шпиндельных газостатических подшипников способны опоры с частично пористой стенкой вкладыша. Дальнейшее повышение несущей способности бесконтактных опор возможно на основе разработки и исследования особенностей работы комбинированных подшипников, способных расширить область рационального использования высокоскоростных ШУ на бесконтактных опорах. Это могут быть газостатические подшипники с электромагнитными силами или электромагнитные опоры с газостатическими силами. Выбор подхода зависит от эффективности использования таких подшипников в составе ШУ с учётом его производительности и точности обработки. Создания перспективных подшипников для ШУ, в целом обеспечивающих высокие выходные параметры точности ШУ, имеет первостепенное значение. Продвижению решения этой актуальной для машиностроения задачи и посвящена настоящая работа.
Цель работы. Повышение эффективности работы шпиндельных узлов металлообрабатывающих станков путем разработки, исследования и внедрения в их конструкцию радиальных газомагнитных опор.
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи:
- разработать научно-обоснованную методику проектирования газомагнитных подшипников высокоскоростных ШУ на основе создания математических моделей, алгоритмов и программ для расчета их эксплуатационных характеристик;
- в широком диапазоне изменения конструктивных и режимных параметров исследовать особенности эксплуатационных характеристик газомагнитных опор шпиндельных узлов;
- экспериментальным путем исследовать характеристики газомагнитной опоры;
- экспериментальным путем исследовать влияние тягового усилия электромагнита на траекторию движения шпинделя;
- выработать рекомендации и разработать инженерную методику по проектированию газомагнитных опор ШУ;
- спроектировать и изготовить опытно-промышленный образец высокоскоростного ШУ шлифовального станка с газомагнитной опорой.
Научная новизна работы состоит в следующем:
- предложена научно обоснованная методика расчета эксплутационных характеристик радиальных газомагнитных опор шпиндельных узлов;
- приведены результаты экспериментальных исследований эксплутационных характеристик газомагнитных опор с пористыми ограничителями расхода газа;
- приведены результаты экспериментальных исследований влияния магнитной силы в опоре на траекторию движения вала;
- установлены зависимости эксплуатационных характеристик радиальных газомагнитных опор с пористыми ограничителями расхода газа от различных конструктивных и режимных параметров, которыми удобно пользоваться при проектировании высокоскоростных шпиндельных узлов.
Метод исследования сочетает физический эксперимент и теоретический анализ. Разработана методика численного расчета эксплуатационных характеристик шпиндельных газомагнитных подшипников на основе уравнения Рейнольдса и закона Дарси, а также классической теории магнитного поля. При экспериментальном исследовании характеристик подшипников применяются хорошо апробированные на практике методики измерения и обработки опытных данных.
Достоверность полученных результатов обеспечивается применением хорошо известной в теории газовой смазки и магнитного поля системы уравнений, что подтверждается сопоставлением результатов теоретического расчета и экспериментального исследования.
Практическая ценность состоит в разработанном алгоритме и программе расчета эксплуатационных характеристик газомагнитного подшипника на ПЭВМ, позволяющих эффективно решать задачу проектирования газомагнитных опор высокоскоростных ШУ.
На основе проведенных исследований выработаны рекомендации и инженерная методика по надежному проектированию исследуемого типа опор ШУ.
Результаты работы легли в основу создания опытно-промышленного образца 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 на кафедре «Технология машиностроения» ГОУВПО «КнАГТУ».
Личный вклад автора состоит в разработке методики численного расчета эксплуатационных характеристик шпиндельных газомагнитных подшипников, для которого составлен алгоритм расчета и реализована программа на ПЭВМ. Проведены экспериментальные и теоретические исследования эксплуатационных характеристик газомагнитных опор с пористыми ограничителями расхода газа высокоскоростных шпиндельных узлов с последующим анализом полученных данных.
На основе проведенных исследований выработаны рекомендации и предложена инженерная методика по проектированию исследуемого типа опор шпиндельных узлов.
При личном и непосредственном участии автора спроектирован и изготовлен опытно-промышленный образец высокоскоростного ШУ шлифовального станка мод. 3К227А.
На защиту выносятся:
- методика и алгоритм расчета эксплуатационных характеристик радиального газомагнитного подшипника;
- результаты сопоставления экспериментальных и теоретических характеристик газомагнитной опоры;
- результаты анализа характеристик шпиндельных газомагнитных опор с пористыми ограничителями расхода газа в зависимости от конструктивных и режимных параметров;
- результаты экспериментальных исследований траектории движения вала установленного на бесконтактных опорах;
- инженерная методика и рекомендации по проектированию радиальных газомагнитных опор для шпиндельных узлов.
Апробация работы. Научные положения и результаты докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и региональных научно-практических конференциях: «Новые технологии и материалы. Инновации и инвестиции в промышленности Дальнего Востока» (г. Комсомольск-на-Амуре, 2007 г.), «Технические науки и современное производство» (г. Пекин, 2008г.), «Новые материалы и технологии» (г. Москва, 2008г.), «Материалы и технологии XXI века» (г. Пенза, 2010 г), «Наука. Промышленность. Оборона» (Новосибирск, 2009 г.), «Теория и практика механической и электрофизической обработки материалов» (г. Комсомольск-на-Амуре, 2009г.), «Будущее машиностроение России» (г. Москва 2009г.), «Автомобиле- и тракторостроение: проектирование, конструирование, расчет и технологии ремонта и производства» (2009г.), «Актуальные вопросы науки и образования» (г. Москва 2010г.), «Образование, наука и производство: проблемы, достижения и перспективы» (г. Комсомольск-на-Амуре, 2010г.).
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 27 работах, в том числе 5 в журналах рекомендованных ВАК РФ.
Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка. Работа содержит 157 страниц, включает 83 рисунков. Библиографический список охватывает 142 литературный источника.
Диссертационная работа выполнена при поддержке грантов 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»; молодежного научно-инновационного конкурса У.М.Н.И.К.-2010 по проекту «Высокоскоростной шпиндельный узел на газомагнитных опорах для ультраприцизионной обработки».
Автор выражает благодарность д.т.н., проф. Космынину А.В. за критические замечания к отдельным положениям диссертационной работы, позволившие улучшить изложение материала.
