Введение к работе
Актуальность темы
Повышение точности и производительности обработки на металлорежущих станках является актуальной научно-технической проблемой машиностроения. Для прецизионных и тяжелых металлорежущих станков одним из эффективных путей её решения является использование гидростатических шпиндельных опор и направляющих, которые обладают более высокой точностью, нагрузочной способностью и виброустойчивостью, чем другие типы шпиндельных опор и направляющих.
Перспективны для применения в станкостроении, но недостаточно разработаны и исследованы адаптивные гидростатические шпиндельные опоры с активно подвижной втулкой и адаптивные гидростатические направляющие со встроенными плавающими регуляторами активного нагнетания рабочей жидкости. Они могут иметь нагрузочную характеристику с большим диапазоном отрицательной податливости, что позволяет существенно уменьшить влияние упругих деформаций технологической системы станка на точность обработки.
Цель и основные задачи работы
Целью диссертационной работы является улучшение технологических возможностей металлорежущих станков путем использования гидростатических шпиндельных опор и направляющих нового поколения, имеющих технологичную конструкцию и лучшие технические характеристики.
Для этого в работе поставлены следующие основные задачи:
-
Теоретически и экспериментально исследовать радиальные гидростатические шпиндельные опоры с активно подвижной втулкой.
-
Теоретически исследовать новый способ адаптивного управления размерной настройкой токарных станков с гидростатическими опорами шпинделя, позволяющий минимизировать влияние упругих деформаций технологической системы станка на точность обрабатываемых деталей путем целенаправленного изменения податливости гидростатических опор.
-
Теоретически и экспериментально исследовать статические характеристики незамкнутых гидростатических направляющих с однопоточными плавающими плунжерными регуляторами активного нагнетания рабочей жидкости, которые встроены в несущие карманы и образуют управляемый дросселирующий зазор с оппозитной опорной поверхностью.
-
Теоретически исследовать статические характеристики замкнутых гидростатических направляющих с двухпоточными плавающими плунжерными регуляторами активного нагнетания рабочей жидкости, которые встроены между оппозитными несущими карманами, выполненными на охватываемых опорных поверхностях, и образуют управляемые дросселирующие зазоры с охватывающими их опорными поверхностями.
Методы исследования
1. Математическое моделирование исследуемых опор с использованием фундаментальных положений гидродинамической теории смазки, теории автоматического управления, теории упругости и теории подобия.
-
Теоретическое исследование и параметрическая оптимизация технических характеристик гидростатических шпиндельных опор и направляющих на основе численной реализации математических моделей с применением специальных вычислительных алгоритмов и компьютерных программ.
-
Экспериментальная проверка достоверности основных результатов теоретического исследования с использованием статистической обработки экспериментальных данных.
Научная новизна и теоретическое значение
1. На основании математического моделирования впервые исследованы
статические и динамические характеристики радиальной гидростатической
шпиндельной опоры с активно подвижной втулкой и пассивным дросселиро
ванием рабочей жидкости. Установлена возможность получения устойчивой
нагрузочной характеристики с большим диапазоном отрицательной податли
вости (#а<-4), недостижимым для других гидростатических опор. Теорети
ческие результаты подтверждены экспериментально.
-
Теоретически исследован новый способ адаптивного управления размерной настройкой металлорежущего станка, позволяющий минимизировать влияние упругих деформаций на точность обрабатываемых деталей путем целенаправленного изменения податливости гидростатических опор в соответствии с разработанной методикой. Показано, что для реализации способа необходимы адаптивные гидростатические шпиндельные опоры с большим диапазоном отрицательной податливости.
-
Впервые исследованы нагрузочные и расходные характеристики незамкнутой гидростатической направляющей с однопоточными встроенными плавающими плунжерными регуляторами активного нагнетания рабочей жидкости. Установлено, что они имеют аналогичную нагрузочную характеристику с диапазоном отрицательной податливости при значительно (в 1,5^-2 раза) меньшем расходе рабочей жидкости, чем направляющая с двухпоточ-ным встроенным плавающим регулятором, ранее исследованная В.Г. Деминым (СФУ, г. Красноярск). Теоретические результаты подтверждены экспериментально.
-
Теоретически исследованы нагрузочные и расходные характеристики замкнутой гидростатической направляющей с двухпоточными плавающими плунжерными регуляторами активного нагнетания рабочей жидкости, которые встроены между оппозитными несущими карманами, выполненными на охватываемых опорных поверхностях, и образуют управляемые дросселирующие зазоры с охватывающими опорными поверхностями. Показано, что:
- при оптимизации по приоритету нагрузочной характеристики диапа
зоны отрицательной податливости и отрицательных эксцентриситетов состав
ляют 5(И-55 % и 80-455 % предельно допустимой нагрузки соответственно,
значение отрицательного эксцентриситета достигает 90 % рабочего зазора;
— при оптимизации по паритету нагрузочной и расходной характери
стики расход рабочей жидкости снижается в 3,5-^4 раза и становится меньше,
чем у гидростатической направляющей пассивного типа.
Достоверность полученных результатов
Достоверность полученных результатов обеспечена:
использованием адекватных математических моделей при теоретическом исследовании рассматриваемых гидростатических шпиндельных опор и направляющих, а также применением для их численной реализации апробированных вычислительных алгоритмов и компьютерных программ;
полным качественным и удовлетворительным количественным совпадением полученных теоретических и экспериментальных результатов.
Практическое значение работы
1. Защищены патентами РФ новые технические решения и опубликова
ны результаты исследования:
гидростатических шпиндельных опор с активно подвижной втулкой, которые имеют устойчивую нагрузочную характеристику с большим диапазоном отрицательной податливости, недостижимым для других гидростатических опор;
способа адаптивного управления размерной настройкой токарных станков, имеющих гидростатические опоры шпинделя, путем изменения их податливости по разработанной методике;
незамкнутых и замкнутых гидростатических направляющих с плавающими плунжерными регуляторами активного нагнетания рабочей жидкости, которые могут иметь встроенное или автономное исполнение.
2. Результаты работы использованы в проектной и опытно-
конструкторской деятельности Алапаевского станкостроительного завода (г.
Алапаевск, Свердловской области); ЗАО «Сибтяжмаш» и ООО «Краснояр
ская инжиниринговая компания» (г. Красноярск), а также в учебно-научном
процессе Сибирского федерального университета и Сибирского аэрокосми
ческого университета имени академика М.Ф. Решетнева (г. Красноярск).
Апробация работы
Основные положения работы апробированы:
на 4-м международном симпозиуме по транспортной триботехнике: «Повышение износостойкости и долговечности машин и механизмов на транспорте ТРАНСТРИБО-2010» г. С.-Петербург, 2010 г.;
на международных, всесоюзных, всероссийских научных конференциях СФУ (КГТУ, КрПИ) и СибГАУ им. академика М.Ф. Решетнева.
Публикация основного содержания работы
По материалам работы опубликованы 19 научных работ, в том числе 5 статей в изданиях из перечня ВАК, 6 докладов на конференциях, включая международные, 7 авторских свидетельств СССР и патент РФ на изобретения.
Рекомендации по использованию результатов работы
Результаты работы могут быть использованы:
- на предприятиях, занимающихся созданием новых или модернизаци
ей действующих металлорежущих станков и других технологических машин;
- в учебно-научном процессе технических вузов, реализующих направления подготовки студентов и аспирантов в области машиностроения.
Структура и объем работы
