Содержание к диссертации
Введение
Анализ технологических принципов управления формированием виброактивности металлорежущих станков
1 Виды колебаний металлорежущих станков, влияющих на технологический процесс
2 Принципы управления формированием виброактивности в технологических процессах изготовления изделий
Выводы 33
Теоретические основы повышения качества в технологии произволства корпусных деталей оболочкового типа
1 Функциональные связи параметров шероховатости обрабатываемой 37 поверхности с компонентами вибрации металлорежущих станков
2 Принципы управления формированием структуры технологического процесса механической обработки
3 Теоретические предпосылки вибрационного анализа технологического оборудования
4 Параметрическое моделирование динамики шпиндельных сборок на подшипниках качения
5 Математическое моделирование оболочкового регулятора для опоркачения
6 Математические модели компонент вибрации металлорежущих станков
7 Анализ результатов моделирования вибрационных компонент 75
8 Добротность металлорежущих станков 79
Выводы 81
Экспериментальные исследования 83
1 Ранжирование видов колебаний 83
2 Методика экспериментирования 84
3 Статистическая обработка результатов экспериментов 88
3.4 Анализ записей вибрационных процессов по осциллограммам 92
3.5 Анализ теоретических расчетов виброкомпонент с учетом проведенных экспериментов
3.6 Анализ погрешности обработки обечаек вращения 97
Выводы
Рекомендации по применению технологических принципов управления формированием виброактивности МРС
4.1 Рекомендации по разработке структурной схемы маршрутного технологического процесса
4.2 Рекомендации по нормированию компонент вибрации
4.3 Рекомендации по технологии анализа виброактивности металлорежущих станков
4.4 Оптимизация конструктивной схемы МРС
4.5 Рекомендации по применению упруго демпфирующих оболочек закрытого типа
Заключение
Список использованных источников
Приложения
- Принципы управления формированием виброактивности в технологических процессах изготовления изделий
- Принципы управления формированием структуры технологического процесса механической обработки
- Математические модели компонент вибрации металлорежущих станков
- Рекомендации по нормированию компонент вибрации
Введение к работе
Все индустриально развитые страны в своей практической деятельности исходят из того, что XXI век - это век науки и высоких технологий, жесткой международной технологической конкуренции. Большинство из них прилагают максимум усилий с целью укрепления научно-технического потенциала, расширения инвестиций, ускорения темпов научно-технического развития. На долю семи высокоразвитых стран приходится 80 - 90% всей наукоемкой продукции (доля России составляет около 0,3%). «Без сохранения и развития машиностроения экономика России обречена на стагнацию и вымирание» [1]. Станкоинструментальная промышленность — сердцевина машиностроительного комплекса, создающая его основные фонды и определяющая научно-технический уровень производства, должна непрерывно развиваться совместно с наукой, это позволит улучшать технические характеристики металлорежущих станков, создавать новые прогрессивные и конкурентоспособные конструкции. Внедрение новых технологий производства изделий авиационно-космической техники непосредственно связано с использованием прогрессивного технологического оборудования-(ТО).
Технологическое оборудование, как класс, включает множество категорий и разновидностей, из которых основными являются металлорежущие станки и оборудование: кузнечно-прессовое, литейное, сварочное, деревообрабатывающее, испытательное, обеспечивающими технологические процессы изготовления! изделий машиностроения. Состав технологического оборудования, формирущего качественные показатели изделий более 65% содержит металлорежущие станки. Традиционно металлорежущие станки (МРСУ определяют, как машины для- размерного формобразования поверхностей методом снятия- стружки. Типовые требования, предъявляемые к станкам, связаны с технологическим процессом формирования геометрии обрабатываемых деталей, обеспечения- определенных характеристик микронеровностей и реализацией заданного качества поверхностей при* рациональной производительности обработки. Качество продукции - совокупность свойств, обуславливающих пригодность продукции удовлетворять определенным потребностям в соответствии с ее назначением (ГОСТ 15467-79).
По данным института машиноведения РАН в развитых в экономическом отношении стран, таких как США, Япония и Германия объем продукции машиностроения занимает порядка 50% от общего объема промышленной продукции. В России в последние годы доля машиностроения не превышает 17% в общем объеме промышленной продукции [2, 3].
Поддержание наметившейся тенденции к оздоровлению экономики России, смещение финансовых интересов из добывающих в производящие отрасли, решение проблем удвоения ВВП и превращение машиностроительных предприятий в категорию инвестиционно привлекательных в определенной степени- зависит от выверенное задач машиностроительного производства, а также соразмерности и эффективности технологической базы, используемой предприятиями для решения этих задач. Осознанная необходимость кардинальных перемен, диктуемых сложившейся ситуацией, современные российские машиностроительные предприятия далеки от совершенства и пока не обладают ни достаточными способностями для выявления и оценки профильных задач, возникающих на быстро изменяющемся рынке, ни способностью целенаправленно создавать или трансформировать технологические ресурсы для их адекватного решения.
Совокупность технологических ресурсов предприятия образует технологическую среду. Традиционное решение проблемы обеспечения необходимой технологической средой сводится к выявлению и замене отдельных технологических процессов на новые, более совершенные. Причем это касается как основного (станочного) оборудования, так и в равной степени относится к элементам интеллектуального труда, реализуемых с помощью информационных технологий, что позволяет определять среду предприятия как информационно-технологическую.
Значительным, а для ряда случаев принципиальным недостатком такого подхода является то, что достижение целей происходит за счет «подтягивания» отдельных элементов, в то время как уместность, целесообразность и адекватность информационно-технологической среды в целом не ставится под сомнение и не оценивается. Вследствие такой многолетней практики предприятия машиностроения утратили первоначальное предназначение и стали «целенеопределеными» и
зависимыми от хаотически сформированной информационно-технологической среды [4]. Понятие технологии производства базируется на трех основных её составных частях: научных принципах, орудиях труда и специалистов, владеющих профессией. Из известных двадцати шести критических технологий, как минимум девять технологий: наноматериалов; атомной энергетики; водородной энергетики; мехатроники и создания микросистемной техники; переработки и утилизации техногенных образований; создания биосовместимых материалов; создания и обработки композиционных и керамических материалов, кристаллических материалов, полимеров и эластомеров, энергоэффективных двигателей и движителей для транспортных систем - включают обработку деталей на металлорежущих станках, к которым предъявляются специальные технологические требования по режимам обработки и динамическим процессам, сопровождающих обработку изделия. С 1990 г по 2007 г в России снизился выпуск металлорежущих станков примерно с 67 тысяч единиц до 7 тысяч единиц, до сих пор количественный и качественный уровень станкостроительной продукции не поднялся додепрессионного уровня. Динамика выпуска технологических машин1 в России приведен на рисунке 1.
-в— МРС -ш— ДОС -Д—МЛ -ш—МКП годы
МРС - металлорежущие станки; ДОС - деревообрабатывающие станки;
МЛ - машины литейные; МКП - машины кузнечно-прессовые
Рисунок 1 - Выпуск технологических машин в.России
Состояние металлообрабатывающего оборудования в-России близко к критическому пределу, более 2/3 нуждается в замене, что в общем случае может привести к утрате технологической независимости страны. При решении создавшейся проблемы можно либо модернизировать существующее оборудование, либо созда-
вать новые конструкции, либо приобретать импортное оборудование.
Как известно, целью и основной задачей фундаментальных исследований является раскрытие закономерностей.явлений и процессовj создания научных основ принципиально новых технологий, формирующих конкурентоспособность изделий. Успехи в развитии техники в основном связаны с новыми технологическими процессами [5], включая высокие технологии и освоение критических технологий прецизионной обработки материалов. При создании новых конструкций МРО для увеличения качества, производительности и эффективности труда;, необходимо учитывать требования прочности, жесткости и устойчивости конструкции, все эти показатели затрагивают вопросы вибрации. Уровень виброактивности металлорежущих станков: должен закладывается в процессе их проектирования, и регламентироваться', в технологических процессах изготовления изделий, однако успешному решению1 проблемы: снижения виброактивности препятствует отсутствие четко сформулированных и систематизированных теоретических разработок с анализом конструктивных параметров станков. Реализация;'идеи: снижения вибрации станков в технологии производства изделий повысит долю эксплуатируемого прогрессивного металлообрабатывающего оборудованиями; качество г выпускаемой продукции [6; 7, 8; 9; 10]!
Актуальность.работы. Главной составляющей научно-технического прогресса является освоение новых технологий производства изделий машиностроения. Технология производства,, обеспечивающая, качественные показатели товарной-продукции, формирует функциональные требования, к точности,.жесткости и вибрации технологического; оборудования; (ТО), в частности металлорежущих станков* (МРЄ).
Отличительной особенностью современной- технологии машиностроения*является освоение высокоскоростных режимов резания при максимальных скоростях подачи в процессе обработки прецизионных деталей.
Технологические процессы резания характеризуются значительной виброактивностью на всех режимах работы металлорежущих станков. Обеспечение высокой точности и качества обработки деталей изделий авиационно-космической тех-
ники (АКТ) без снижения производительности при управляемой вибрации МРС является важнейшей проблемой, требующей решения. Значимость и важность проблемы снижения виброактивности возрастает при освоении новых технологических процессов, требующих создания нестандартных МРС нового поколения. Успешному решению проблемы освоения высоких технологий препятствует недостаточное наличие теоретических разработок в области конструирования шпиндельных сборок ТО с малой виброактивностью. Создание ТО с нормированной виброактивностью, сформированной с учетом современных требований и принципов технологического управления динамическими процессами является основной задачей повышения их технического уровня. Реализация идеи снижения виброактивности повышает долю ТО, соответствующего мировому уровню по параметрам точности и производительности на 25% - 35%, а вновь разрабатываемых до 100%, по эффективности эквивалентной 15% стоимости ТО. Решаемая в диссертационной работе проблема является составной частью цикла научно-исследовательских работ университета по созданию, исследованию и внедрению в производство прогрессивного ТО, проведенных в соответствие с научным направлением кафедры «Технологии машиностроения» СибРАУ. Раскрытие закономерностей влияния вибрации ТО1 на точность и качество механической обработки деталей позволит активно управлять технологическим процессом изготовления конкурентоспособной продукции АКТ. Кроме того, актуальность выполненных исследований обусловлена новизной постановки задач, раскрывающих влияние вибрационных процессов на точность и качество технологических процессов, включая конструкции станков.
Целью работы является повышение качества и точности изготовления корпусных деталей оболочкового типа на основе раскрытия принципов формирования вибрационных процессов шпиндельных сборок технологического оборудования, используемого в технологии производства изделий авиационно-космической техники.
Реализация поставленной цели позволит принимать целенаправленные решения при создании новых технологических процессов с регламентированной
виброактивностью станков, проектировать быстроходные универсальные шпиндельные сборки прецизионного класса с необходимыми компонентами вибрации: виброперемещения, виброскорости и виброускорения.
В данной работе теоретические исследования выполнены с использованием основных положений технологии машиностроения, теории малых колебаний, теории упругости, аппарата системного анализа. В экспериментальных исследованиях применялись специальные методики, стандартные приборы, и оборудование, методы прикладной статистики. Для разработки программного и математического обеспечения использованы методы системного анализа1 и компьютерного моделирования.
В качестве объекта исследования рассмотрены технологические процессы и оборудование производства авиационно-космической техники. Для экспериментальных исследований и динамических измерений служили специальные фрезерные станки, а также станки токарной и шлифовальной групп.
Предметом исследования явились технологические процессы фрезерования корпусных тонкостенных деталей, однородные физические величины поступательного движения точки упругого тела, характеризующие вибрацию, а также параметрическая точность и шероховатость поверхности обработанной детали. Признаками, на основании которых производилась оценка качества приняты: шероховатость поверхностного слоя, компоненты вибрации: виброскорость и виброускорение.
Основные задачи работы: установление связей и построение математических моделей точности и качества обработки деталейх компонентами вибрации, станка; разработка математических моделей компонент вибрации ТО; создание образно-знаковой модели синтеза технологического процесса с учетом нормированной вибрации и ресурса технологической точности; разработка функции для» оценки добротности технологических систем; разработка рекомендации по нормированию вибрации фрезерных станков.
В данной работе под термином инструментарий понимается совокупность аппаратно-программных средств и методических приемов функционального
анализа качества конструкций станков, систем параметров и понятий предметной области и формальной модели, используемых в процессе исследования, проектирования, испытания, изготовления нового прогрессивного технологического оборудования. В работе также учтены и использованы нормативы по технологическому и вибрационному контролю машин и оборудования, международные стандарты ИСО, действующие ГОСТы России. Научная новизна работы:
Предложена и теоретически обоснована методология управления виброактивностью на стадии разработки технологического процесса и оборудования.
Получены новые математические модели шероховатости и точности обработанной поверхности, увязанной с компонентами, вибрации технологического оборудования.
3 Получена математическая модель ресурса точности металлорежущего
станка с учетом вибрационных процессов.
Разработана математическая модель добротности технологического, оборудования по вариации амплитуды виброскорости.
Установлено, что поля допусков размеров.обрабатываемой детали влияют на виброактивность, технологического оборудования;
Практическая значимость работы.
Разработаны численные методы и программные комплексы для функционального анализа технологических процессов и прикладных исследований, виброактивности проектируемого технологического оборудования, используемого в технологии-изготовления изделий<авиационно-космической техники.
Предложены новые рекомендации по нормированию компонент вибрации? проектируемых и эксплуатируемых фрезерных станков, используемых в производстве АКТ.
Создан алгоритм численного решения задач по снижению вибрации ТО и прикладная программа «Велоракс», являющихся инструментарием управления формированием виброактивности металлорежущих станков в технологии производства изделий АКТ.
Результаты исследования используются в учебном процессе при ведении дисциплин «Металлорежущие станки»,, «Проектирование нестандартного оборудования», «Проектирование машиностроительного производства» по специальности 151001 «Технология машиностроения».
Рекомендации по снижению виброактивности конструкции станка использованы при экспертизе динамических характеристик разрабатываемого специального фрезерного станка для обработки корпусных деталей АКТ предприятием ФГУП «Красмаш».
На защиту выносятся следующие положения:
математическая модель связи параметров качества и точности механической обработки с компонентами вибрации;
образно-знаковые модели технологических процессов изготовления изделий АКТ;
новый метод численного анализа конструкций станков с применением специальной функции вибрации;
технология проектирования, обеспечивающая создание металлорежущих станков с нормированной вибрацией,и требованиями технологического процесса;
результаты теоретических и экспериментальных исследований, станков шпиндельного класса,
методика расчета ресурса технологической точности металлорежущих станков с учетом вибрации,
математическая модель добротности технологического оборудования по вариации пиковой виброскорости механизма главного движения;
методика и принципы управления формированием и снижением виброактивности средств технологического оснащения в процессе их разработки и эксплуатации;
алгоритмы и программный комплекс функционального анализа конструкций ТО, используемых в технологических процессах высоких технологий.
Принципы управления формированием виброактивности в технологических процессах изготовления изделий
Металлорежущий станок, как основу для ведения технологического процесса, необходимо рассматривать как замкнутую колебательную систему со многими степенями свободы, в каждой из которых как в самостоятельном контуре, возникают вибрации определенной интенсивности [20]. В МРС встречаются различные виды колебательных движений: собственные колебания - индивидуальные колебания системы; вынужденные колебания возникают вследствие прерывистого процесса резания, наличия дисбаланса вращающихся частей, износа кинематических пар, температурных явлений в местах контакта, неправильной эксплуатации; автоколебания возникают вследствие непостоянства срезаемого слоя металла, подвода энергии неколебательной природы [21]; параметрические колебания, возникают по причине изменения жесткости отдельных элементов станка [22, 23].
Автоколебания, являются наиболее опасными, так как они возникают в широком диапазоне режимов резания и значительно труднее, чем другие виды колебаний поддаются устранению [24]. Частота, амплитуда и форма автоколебаний определяются свойствами самой системы. В станках наблюдаются высокочастотные колебания, соответствующие собственным частотам резца (2000...6000 Гц), шпинделя (200...300 Гц) и низкочастотные колебания суппортной группы (80... 150 Гц) или обрабатываемой детали [25].
Существенное влияние на уровень интенсивности вибрации оказывает метод установки МРС на основание [26]. Наиболее лучшим из существующих методов установки, является метод установки станка на индивидуальный, виброизолированный от грунта и смежного оборудования, массивный железобетонный фундаментальный блок, так устанавливают уникальные прецизионные станки. Наиболее простым и универсальным способом обеспечения виброизоляции станков общего назначения является их установка на различные виброизолирующие опоры (станочные виброизоляторы) [27].
Условно средний уровень вибрационного режима характеризуется следующим: - средними амплитудами регулярных колебаний основания около 2,5.. .3 мкм на частотах от 0 до 25 Гц, уменьшающимися на более высоких частотах примерно пропорционально отношению квадрата частот; — максимальными амплитудами импульсных возмущений около 10-12 мкм в области частот 0-40 Гц, соответствующих собственным частотам наиболее распространеных видов оснований.
Основным механизмом любого МРС является механизм главного движения1 (МГД), а основным звеном МГД является шпиндель на опорах. Вибрации, возникающие в шпиндельном узле, отрицательно сказываются на точности и шероховатости обработки, стойкости инструмента и производительности станка [28, 29; 30]. Собственная частота шпинделя должна быть не ниже 500 - 600 Гц. Долговечность же шпиндельных узлов зависит от вида опор, от долговечности опор шпинделя, которая в свою очередь во многом зависит от эффективности системы смазки, и уплотнений, частоты вращения, величины предварительного натяга в подшипниках качения [31,32].
При создании и разработке конструкторской-документации прорабатываются основные погрешности шпиндельных сборок, суппортов, столов и направляющих, влияющих на геометрическую, технологическую и параметрическую точность станков.
Основные показатели динамического качества станка [19, 30, 33, 34]: запас и степень устойчивости характеризуют возможности изменения технологических режимов обработки, а также рассеивание энергии в упруглй системе без потери её устойчивости; реакция системы на внешние воздействия; быстродействие, определяющее продолжительность переходного процесса в системе. Второй и третий по казатели системы, могут быть определены по относительному смещению, по скорости движения инструмента и заготовки (при оценке точности обработки), по направлению в нагруженной детали, по контактным напряжениям (при оценке надежности и долговечности системы) и по температуре нагрева.
Для продления срока службы станков их изготавливают с так называемым технологическим запасом точности, учитывающим неизбежную потерю точности при эксплуатации и рост требований к точности станков. Повышение точности станков, как правило, существенно улучшает их качество, но увеличивает стоимость. При оценке качества станка основные испытания связаны с оценкой его точности и производительности, оценивают геометрическую точность, жесткость, виброустойчивость, тепловые деформации и износостойкость [35, 36, 37, 38].
Принципы управления формированием структуры технологического процесса механической обработки
Механическая аналогия, имеет преимущество перед электрической, в том,, что схема ее электрической цепи совершенно аналогична схеме механической цепи. Это позволяет составлять.электрическую модель механической-системы сразу же после построения схемы механической» цепи; не прибегая к составлению электрической1 цепи. Однако метод механических цепей и метод электромеханических аналогий не нашли должного применения.
В работах [52, 53] рассмотрены активные и пассивные упругодемпфирую-щие опоры. Примером упругодемпфирующих опор пассивного типа может служить демпфер Аллисона. Отстройка от критических частот и частотное демпфирование колебаний осуществляется в нем с помощью упругих колец, на которых базируются- подшипники вала. Демпфирование колебаний происходит за счет гидравлического трения, возникающего при всасывании и вытеснении смазки из зазоров между упругими участками колен, а также за счет потерь на трение опорных выступов о контактные поверхности гладких колец. Активные системы, несмотря на высокую стоимость, имеют преимущества по сравнению с пассивными: более высокие демпфирующие свойства и возможность гибкого формирования АФЧХ, высокую статическую и динамическую жесткость, гибкость и оперативность изменения параметров системы в процессе ее настройки и работы, незначительную чувствительность к массе и нагрузкам шпиндельного узла [53].
Примером упругодемпфирующих опор с жидкостным трением является демпфер с упругим стаканом акад. П.Л. Капицы [54]. Основной частью упруго-демпфирующей опоры является повторяющий колебания ротора подшипник качения, который связан с вибратором. Вибратор представляет собой цилиндр, укрепленный на упругом элементе типа "беличье колесо", отделенный тонким масляным слоем от неподвижного статора. При колебаниях ротора возникают пропорциональные силе упругости и скорости — силы гидравлического сопротивления выдавливания и всасывания масла из демпферного зазора и пропорциональные ускорению вибратора - силы инерции. Рассматриваемая опора чувствительна к температуре масла, имеет значительные осевые размеры и малую жесткость.
Пассивные демпфирующие системы эффектно работают только в зарезо-нансном режиме, то есть при низкой жесткости опор, что является недостатком данных систем из соображений снижения точности шпиндельных сборок. Абсолютную неподвижность объекта при наличии возмущения стремятся обеспечить активные демпфирующие системы, представляющие собой следящую систему, которая выполнена в виде двух подсистем осуществляющих подстройку в одной из двух взаимно перпендикулярных плоскостях, а датчики, изменяющие относительное положение шпиндельного узла, выполнены двухкоординатными. Каждая из подсистем устройства включает два взаимосвязанных контура управления: компенсирующий упругие перемещения системы СПИЗ и демпфирующий низкочастотные колебания шпинделя за счет колебания давления- в камерах гидростатического подшипника в противофазе смещениям оси шпинделя, с применением электрогидравлических схем дроссельного регулирования [55].
Все упругодемпфирующие опоры позволяют вывести критические обороты шпинделя за пределы рабочего диапазона. В работе [56] В.В. Бушуева отражены особенности расчета основных эксплуатационных параметров гидростатических опор, а так же приводятся расчеты силы и момента демпфирования, динамической жесткости масляного слоя. Отмечает особенность гидростатических опор в том, что давление масла между скользящими поверхностями создается при помощи наcoca, поэтому эти поверхности при работе всегда разделены слоем масла. Работы А.С. Вольмира, Тичи, Модеста [57, 58, 59] посвящены рассмотрению различных оболочек работающих в жидкости. В работах [58, 59] анализируется течение сдавливаемой пленки в гладких радиальных подшипниках бесконечной длины, когда невращающийся вал совершает малые синусоидальные колебания. Результаты анализа показывают, что для подшипника с малым относительным эксцентриситетом при больших числах Рейнольдса классическая теория смазки дает весьма неточные значения амплитуд нагрузки и давления, однако при больших относительных эксцентриситетах классическая теория дает надежные результаты.
В работе К.М. Рагульскиса [60] рассматриваются вопросы аналитического определения вибраций, моментов сопротивления вращению с учетом гидродинамической масляной пленки, определения демпфирующих свойств подшипников и подшипниковых узлов. Изложена методика и описаны средства измерения динамических характеристик подшипников. Приведены экспериментальные данные и методика из статистической обработки.
Математические модели компонент вибрации металлорежущих станков
При формообразовании контура детали резанием, когда режущий инструмент внедряется в заготовку для снятия припуска, для получения заданного размера возникают вибрационные процессы, снижающие качеством точность изготовления. Эти процессы могут быть изучены физическим и математическим моделированием. Влияние принципов управления формированием виброактивности металлорежущих станков в технологии производства изделий АКТ исследуется физическим экспериментированием на натурных образцах, а также моделированием [77, 78; 79]! Моделирование в общем случае представляет замещение одного объекта-оригинала, другим; объектом-моделью с изучением свойств оригинала методом исследования свойств модели. Замещение производится с целью упрощения, ускорениями удешевления свойств, оригинал а. Модель может быть представлена в виде системы-с множеством параметров.
Существуют следующие виды физической модели [80, 81, 82]: натурные -реальные исследуемые системы в виде макетов и опытных образцов; квазинатурные — представляют совокупность натурных и математических моделей; масштабные - представляет систему, идентифицированную по: физической; сути, отличающейся от оригинала линейным масштабом; аналоговые модели — системы, имеющие физическую природу, отличающаяся от оригинала, но сходная с оригиналом процессом функционирования; математические модели - отражающих процесс функционирования системы с использованием математических соотношений.
На стадии проектирования и конструирования металлорежущих станков необходимо учитывать, что вибрация станков при механической обработке представляет сложный динамический процесс с появлением различных видов колебаний с разными частотами. Для моделирования динамического процесса в МРС используют динамическую модель. Под динамической моделью понимают описание механизма, отражающего его динамические свойства и связи с помощью совокупности символов, условных обозначений и аналитических приемов с условием, что динамические воздействия на модель вызывают реакцию, идентичную реальной в механизмах [83, 84]. Нелинейное колебательное движение исследуется с помощью нелинейных дифференциальных уравнений. Для анализа колебательных движений при резании металла необходимо составить математическую модель системы. Выбор схемы этой модели связан с определением числа степеней свободы, то есть числа независимых переменных, необходимых для полного описания процессов в системе СПИЗ. При составлении математической модели пренебрегают некоторыми степенями свободы, если эти степени связаны с частотами значительно больше или меньше основных частот системы.
Перед исследованием колебательных движений определяют собственные частоты, аналитически или экспериментально по осциллограммам затухающих колебаний. Затем устанавливают другие параметры колебательных контуров математической модели: вычисляют логарифмический декремент; на основании диаграммы нагрузки - перемещение определяют жесткость системы; с учетом жесткости и собственной частоты вычисляется приведенная масса; устанавливается характеристика силы резания и если надо характеристика силы трения; при наличии внешней возмущающей силы определяется ее амплитуда и частота. Окончательное суждение о правильности принятой модели и значений ее параметров дает сравнение результатов математического анализа с экспериментальными данными [85].
Динамические модели могут быть одномассовые и многомассовые. Пример одномассовой модели приведен на рисунке 2.16, здесь и в дальнейшем при описании модели будет учитываться m - масса системы, С - жесткость системы, а -коэффициент сопротивления, y(t) - перемещение массы системы от возмущающей силы P(t), изменяющейся в момент времени t.
Рекомендации по нормированию компонент вибрации
Экспериментальные исследования проводились на металлорежущих станках, которые оснащались контрольно-измерительными устройствами, имеющими аттестат годности и прошедшие госпроверку. Исследуемые станки: горизонтально фрезерный станок СФ1 повышенного класса точности; токарно-винторезый станок 16К20 заводской номер 12414 - нормального класса точности, с подшипниками второго класса точности, универсально-заточной станок ЗД642Е заводской номер 345-81 - высокого класса точности. В ходе эксперимента МРС устанавливается в соответствии с техническими требованиями и проверяется на нормы точности (ГОСТ 8-82Е) и жесткости (ГОСТ 7035-82). После проверки МРС и его соответствия нормам геометрической точности и технологического прогона, записываются колебательные процессы при холостом и рабочем ходах станка.
При записи осциллограмм получается геометрический образ вибрации в виде волнообразных кривых. На геометрическом образе амплитуда, представляет половину размаха всей высоты волны геометрического отображения, а фазовый угол, определяет смещение отображения вдоль координаты времени, частота же величина обратная периоду процесса [67].
В качестве виброизмерительной аппаратуры использовался: - осциллограф светолучевой HI 17/1 скорость протяжки ленты 0,5; 1; 2,5; 5; 10; 25; 50; 100; 1000; 2500; 5000; 10000 мм/с; отметчик времени с интервалами между основными отметками 2; 0,2; 0,02; 0,002 с; в осциллографе применяются гальванометры магнитоэлектрические с шагом на канал 4,5 мм и 9 мм с диапазоном регистрируемых частот от 0 до 10 кГц; в зависимости от частот вращения применяются разные гальванометры, например, для процесса с частотой вращения 3000 об/мин применялся гальванометр МО 17 (для частоты 50Гц); предельная скорость записи 2000 мм/с при записи на фотобумаге УФ-67; питание от сети 127 и 220В, 50 Гц через блок питания П133; ограничение длины осциллограммы в пределах от 0,2 до 4 м; продольное графление фотоленты через 2 мм, каждая пятая линия имеет увеличенную ширину метки не более 0,5 мм; - пьезоэлектрические преобразователи типа Д13 и Д14. Эти датчики вибрации установливаются в зависимости от частоты вращения шпинделя, при-высоких частотах вращения - с помощью резьбового соединения, при низкочастотных измерениях с помощью магнитного основания; - виброметр АТТ-9002. Имеет частотный диапазон от 10 Гц до 5кГц; диапа-зоном измеряемой скорости от 0,5 до 200 мм/с и ускорения от 0,5 до 200 м/с .
Точки и место измерения вибрации и установки датчиков назначались по энергонасыщенным точкам, определенным в подшипниках шпинделя, на рабочем столе и на фундаменте станка. Наибольший интерес представляют точки на шпиндельной сборке, как наиболее энергонасыщенные. От этих точек вибрация передается непосредственно на стол и фундамент станка. Расположение точек Г, 2 и 3 на корпусе МГД представлены на рисунке 3.2, для установки датчиков в районе переднего подшипника. Точка 1 - датчик находится в вертикальной плоскости относительно шпинделя, точка 2 - в горизонтальной плоскости, точка 3 датчик располагается взаимно перпендикулярно двум другим плоскостям. Места установки вибропреобразователей определяются с учетом функциональной-схемы,механизма формирования вибрации, конструктивными линейно-массовыми параметрами и элементами конкретной модели и компоновки станка, приспособления для крепления датчиков должны отвечать действующим стандартам, включая ГОСТ 12.1.012 [123]. Перед проведением экспериментов проведена контрольная калибровка осциллографа при помощи, калибратора П029 при эффективном значении виброуско-рения (8,1 м/с ) по всем трем каналам.
Станки исследовались на холостом-и рабочем ходу после тридцати минутного прогрева. Измерения начинались с разгона шпинделя до максимальной эксплуатационной частоты, не менее 2 мин. Это необходимо для выравнивания внутренних напряжений сборки и стабилизации зазоров и натягов. Далее частоты снижались до эксплуатационного уровня и в течение не менее 3 минут длилось вращение, после чего измерялись компоненты вибрации. В таблице 3.4 приводятся среднеквадратичные компоненты вибрации при холостых ходах МРС, в точках установки датчиков.
