Исследование и повышение технического уровня систем магнитной разгрузки направляющих станков Малышева Елена Алексеевна

Содержание к диссертации

Введение

ГЛАВА I. МЕТОДЫ РАЗГРУЗКИ НАПРАВЛЯЩИХ. СОВРЕМЕННЫЙ УРОВЕНЬ. ПРОБЛЕМЫ. ОБОСНОВАНИЕ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ. II

1.1. Методы разгрузки направляющих. Преимущества и недостатки II

1.2. Технический .уровень современных систем разгрузки направляющих магнитным полем 15

1.3. Температурные поля и деформации в станках 21

1.4. Магнитные поля станка. Влияние на функционирование 27

1.5. Некоторые вопросы управления разгрузкой направляющих 28

1.6. Задачи исследования. Выводы по главе 33

ГЛАВА 2. ПОВЫШЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ СИСТЕМ МАГНИТНОЙ

РАЗГРУЗКИ НАПРАВЛЯЩИХ 34

2.1. Разработка устройств, снижающих намагниченность направляющих 34

2.1.1. Снижение намагниченности путем увеличения магнитного сопротивления пути потоков рассеяния 34

2.1.2. Устранение намагниченности направляющих размагничиванием их поверхностей 37

2.2. Устройства, снижающие температурные деформации. 37

2.2.1. Снижение температурных деформаций интенсификацией тешюотвода 38

2.2.2. Уменьшение температурных деформаций посредством снижения тепловыделений 40

2.3. Разработка устройств, повышающих надежность и КПД систем магнитной разгрузки направляющих 43

2.4. Целевой синтез электромагнитов разгрузки. Методика. Алгоритм программы 45

Выводы по главе 56

ГЛАВА 3. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ И ДЕФОРМАЦИЙ, П0РОЗДАЕМЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ СИСТЕМОЙ РАЗГРУЗКИ НА ПРАВЛЯЮЩ 58

3.1. Исследуемые модели 58

3.2. Принятые допущения 64

3.3. Методика моделирования 65

3.4. Исследование влияния конструкции системы электромагнитной разгрузки направляющих на температурное поле станка 68

3.5. Исследование влияния характеристик рабочего зазора электромагнитов на температурное поле станка 77

3.6. Исследование влияния систем и режимов охлаждения электромагнитов разгрузки направляющих на температурное поле станка 83

3.6.1. Общий подход 83

3.6.2. Исследование температурного поля станка при охлаждении потоком воздуха, движущимся от— носительно внешних поверхностей 85

3.6.3. Исследование температурного поля станка при тепло отводе покачиванием охлаждающей среды через специальные каналы 87

3.6.4. Исследование температурного поля станка при охлаждении системы разгрузки внешним потоком воздуха и его прокачиванием через специальные каналы 97

3.6.5. Сопоставление эффективности методов охлаждения

3.7. Исследование температурных деформаций, порождаемых системой электромагнитной разгрузки направляющих 105

Выводы по главе

ГЛАВА 4. МАГНИШЯ СИСТЕМА РАЗГРУЗКИ НАПРАВЛЖЩИХ КАК ОБЪЕКТ УПРАВЛЕНИЯ 112

4.1. Некоторые общие замечания 112

4.2. Физическая модель процессов, протекающих в системе магнитной разгрузки направляющих

4.2.1. Физика процессов в системах электромагнитной разгрузки ИЗ

4.2.2. Физика процессов в системах разгрузки на оправляющих постоянными магнитами 117

4.3. динамическая структура объекта управления - системы магнитной разгрузки направляющих 118

4.3.1. динамическая структура электромагнитной системы 118

4.3.2. динамическая структура системы разгрузки постоянными магнитами с управляемой силой притяжения 121

4.4. Математическое описание звеньев 123

4.5. Исследование уровня возмущений, вносимых в систему управления отклонениями формы якоря 133

Выводы по главе І4Ї

ГЛАВА 5. КОМПЛЕКС ЭКСПЕРИМЕНТАЛЕНЫХ УСТАНОВОК ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ СИСТЕМ МАГНИТНОЙ РАЗГРУЗКИ НАПРАВЛЯЮЩ СТАНКОВ 142

5.1. Конструкции экспериментальных установок 143

5.2. Измерительно-регистрирующий комплекс 148

5.3. Методика экспериментального исследования 149

5.4. Общие технические характеристики комплекса . 163 Выводы по главе 164

ГЛАВА 6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ШСЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ

И ДЕФОРМАЦИИ, ПОРОВДАЕМЫХ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОЙ РАЗ ГРУЗКОЙ НАПРАВЛЯЮЩИХ 166

6.1. Исследование влияния конструкции системы разгрузки на температурное поле станка 166

6.2. Экспериментальное исследование влияния характеристик рабочего зазора электромагнитов разгрузки на температурное поле станка 172

6.3. Экспериментальная оценка влияния систем и режимов охлаждения электромагнитов разгрузки на температурное поле станка 176

6.3.1. Охлаждение потоком воздуха, движущимся относительно внешних поверхностей 176

6.3.2. Теплоотвод потоком воздуха, прокачиваемым через специальные каналы системы разгрузки. 181

6.3.3. Охлаждение потоками воздуха, движущимися относительно внешних поверхностей и через специальные каналы системы разгрузки 185

6.4. Исследование влияния параметров сигналов управления электромагнитом разгрузки направляющих на его тепловыделения и температурное поле станка 186

6.5. Оценка температурных деформаций отдельных элементов конструкции опытной установки 199

Выводы по главе 203

ГЛАВА 7. ИССЛЕДОВАНИЕ НЕКОТОРЫХ СПЕЩШЧЕСКИХ ВОПРОСОВ,

СВЯЗАННЫХ С НАМАГНЖЕВНОСТЬЮ УЗЛОВ СТАНКОВ 205

7.1. Экспериментальное исследование напряженности магнитного поля направляющих 205

7.2. Экспериментальное исследование напряженности магнитного поля рабочей поверхности стола 213

7.3. Экспериментальное исследование напряженности магнитного поля станины 218

7.4. Теоретическое исследование износа направляющих с учетом динамики осаждения из смазки ферромагнитных абразивных частиц на намагниченные поверхности скольжения 220

7.4.1. Модель процесса. Допущения 221

7.4.2. Математическое описание модели 222

7.4.3. О влиянии магнитной разгрузки направляющих на их износ 225

7.4.4. Методика расчета. Алгоритм программы . 227

7.5. Экспериментальное исследование характеристик оптимального электромагнита системы разгрузки . 227

Выводы по главе 234

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ. ЗАКЛЮЧЕНИЕ 236

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 241

ПРИ2КЖЕНИЕ 257

ПРИЛОЖЕНИЕ I. Некоторые дополнения к главе 1 258

П.І.І. К анализу методов разгрузки направляющих 258

П.1.2. Использование магнитной разгрузки направляющих в других отраслях техники 259

П.І.2.І. Системы с опорами на постоянных магнитах. 261

П.І.2.2. Опоры экипажей с автоматически управляемыми электромагнитами постоянного тока 264

ИЛ.2.3. Системы с индукционными электромагнитными опорами 265

П.1.2.4. Системы с кондукционными электромагнитными опорами 268

П. 1.2.5. Системы со сверхпроводящими опорами 269

П.1.2.6. Опоры с электромагнитами переменного тока 270

П.1.3. Аналитическое исследование температурных деформаций при некоторых допущениях 271

П.І.З.І. Деформации протекают без напряжений 271

П.1.3.2. Деформации проходят в отсутствии поворотов элементарных объемов 273

ПРИЛОЖЕНИЕ 2. Документы, подтверждающие внедрение,результатов работы 277

П.2.1. Распоряжение по Ульяновскому ГСКБ тяжелых и фрезерных станков "О внедрении руководящих технических материалов (РТМ)" по специфическим вопросам синтеза магнитных систем разгрузки направляющих 278

П.2.2. Акт внедрения в УГСКБ ТФС Комплекса методик (РТМ), используемых при проектировании систем магнитной разгрузки направляющих 279

ПРИЛОЖЕНИЕ 3. Передаточные функции объекта управления электромагнитной системы разгрузки направляющих 281

• Методы разгрузки направляющих. Преимущества и недостатки
• Разработка устройств, снижающих намагниченность направляющих
• Исследование влияния конструкции системы электромагнитной разгрузки направляющих на температурное поле станка
• Физическая модель процессов, протекающих в системе магнитной разгрузки направляющих
• Конструкции экспериментальных установок

Введение к работе

В утвержденных ШТ съездом КПСС "Основных направлениях экономического и социального развития СССР на I98I-I985 годы и на период до 1990 года" поставлена задача, наряду с увеличением производительности металлорежущих станков, повысить их точность не менее чем на 20-30$. Показатели динамического качества станочного оборудования, их технологическая надежность в значительной мере определяются режимом трения в направляющих скольжения, которыми оснащается около 85% станков. Управляемая разгрузка направляющих является эффективным средством обеспечения желаемого режима трения в них, повышения динамических характеристик перемещаемого узла и долговечности станка по точности. Она существенно снижает энергетические затраты в приводе исполнительного органа, особенно в тяжелых и уникальных станках.

Отмеченные положения теоретически и экспериментально доказаны исследованиями В.А.Кудинова, А.С.Мурашкина, А.С. Проникова, В.Э.Пуша, Ж.С.Раввы, М.Е.Эльясберга, а также Г.И. Айзенштока, В.В.Еушуева, Г.А.Левита, Б.Г.Лурье и других ученых.Принципиальные основы целесообразности управления параметрами технологической системы станка (в том числе и трением в направляющих) заложены Б.С.Балакшиным и развиты его научной школой (Б.М.Базров, Ю.М.Соломенцев, М.М.Тверской и др.). Большой вклад в изучение магнитных систем, используемых в станках, сделан О.Я.Константиновым, В.М.Малкиным, О.П.Михайловым и др. Однако магнитная разгрузка направляющих ими не исследовалась.

Между тем указанный вид разгрузки по сравнению с другими обладает рядом очевидных преимуществ; высокой надежностью, конструктивной простотой, малыми габаритами вследствие замены гидронапорной станции выпрямителем, удобством реализации автоматиче- ского управления разгружающими .усилиями и др. Несмотря на отмеченные достоинства, системы магнитной разгрузки направляющих (СМРН) в металлорежущих станках не применяются. Опрос ряда ведущих конструкторских организаций показал, что внедрение СМЕН сдерживается некоторыми опасениями станкостроителей. В частности, возможными: потерей точности станка благодаря температурным деформациям, обусловленным тепловыделениями в электромагнитах; повышенным износом направляющих вследствие фиксации ферромаг— нитных абразивных частиц на намагниченных поверхностях скольжения; трудностями создания магнитов с характеристиками (габариты, сила притяжения), обеспечивающими их встройку в конструкции современных станков, и другими. Кроме того, как показал специ— альный анализ, основанный на изучении [I...5, 7...9, 14...16, 20...24, 26, 28, 29, 31, 32, 36, 37, 39...41, 44...47, 50, 51, 55...58, 61, 63, 64, 76, 77, 79, 82, 83, 86...88, 90, 91, 95... 97, 100...106, ПО...112, 114...116, 118, 119, 122, 126, 128, 130, 132, 133, 135...165], использование магнитной разгрузки в станках встречает ряд других затруднений.

Цель настоящей работы - на основе исследования систем магнитной разгрузки направляющих повысить их технический уровень и создать комплекс специфических методик, необходимых для проек— тирования указанных систем, что обеспечит при внедрении последних повышение технологической надежности станков.

Для достижения поставленной цели в 1.6 на основе упомянутого анализа сформулирован комплекс задач, подлежащий решению и решенный в настоящей работе. диссертация состоит из основной части ( 153 с.текста, 83 илл., 13 табл.) и приложения ( 31 е.), которое содержит акты внедрения результатов исследования и дополнительный обзор публикаций, касающихся темы настоящей работы. _-ю-

Работа выполнена на кафедре "Металлорежущие станки" и в НИІ-3 Куйбышевского ордена Трудового Красного Знаглени политехнического института (КПтИ) в период 1979-1982 годы по заданию Ульяновского головного специального конструкторского бюро тяжелых фрезерных станков (УГСКБ ТФС) Минстанкопрома СССР как один из путей реализации "Отраслевой целевой комплексной программы по обеспечению повышения производительности и точности металлорежущих станков, выпускаемых Минстанкопромом в XI пятилетке".

В результате проведенных исследований разработан ряд инженерных методик, используемых при проектировании СМРН и внедренных в практику инженерных расчетов УГСКБ ТФС. Основное содержание диссертации опубликовано в 'двенадцати работах [18^й, 49^s,65^х ...74^s] и одном отчете по НИР [43^s]. Кроме того, по различным аспектам данного исследования получено четыре авторских свидетельства на изобретения [10^...13⁸]. Публикации, сделанные соискателем и при его соавторстве отмечены надстрочным индексом

Результаты работы докладывались на семи научных семинарах кафедры "Металлорежущие станки" КПтИ (1979-82 гг.), техническом совете УГСКБ ТФС (30.12.82), научно-технических конференциях: Всесоюзной - "Динамика станков" (4-6.06.80 г.Куйбышев), Уральской - "Актуальные проблемы проектирования и эффективной эксплуатации металлорежущих станков и их комплексов в машиностроении" (16-18.09.80 г.Уфа), областных: "Молодые ученые и специалисты на рубеже X пятилетки" (ноябрь,1980, г.Куйбышев), "60-летию СССР ударный труд, знание, инициативу и творчество молодых" (17-19.11.82).

Методы разгрузки направляющих. Преимущества и недостатки

Как показывает анализ [77, 95, 97J направляющими скольжения оснащается около 8Q# металлорежущих станкоЕ. Разгрузка указанных направляющих обеспечивает повышение равномерности движения .узлов станка и их долговечности по точности. Это достигается снижением контактного давления и соответственно трения на поверхностях скольжения [55, 97, 105]. Однако вследствие переменности внешней нагрузки на подвижный узел станка и действия в его направляющих гидродинамических подъемных сил резко снижается точность положения узла и нарушается ранее достигнутый положительный эффект - равномерность перемещения и желаемый режим трения.

Если ставится задача обеспечить устойчивость движения узла, точность его положения и перемещения путем разгрузки направляющих, то последняя должна быть автоматически управляемой [105] . Заметим, что адаптивное управление в станках [2, 3, 15, 90] завоевало прочные позиции и в связи с переводом систем ЧПУ на микропроцессорную баз имеет большие перспективы.

В настоящее время известны [22, 77, 95, 97, 105] следующие основные способы разгрузки направляющих скольжения: I) механический; 2) гидравлический (гидроразгрузка и гидростатическая) ; 3) аэростатический; 4) магнитный. Причем используются в промышленных станках только первые три способа, из которых наиболее конкурентоспособен гидравлический. В связи с этим методы по п.п.

Гидравлический способ разгрузки [22, 56, 57] заключается в том, что между сопряженными поверхностями трения подается смазка под давлением. Величина последнего является функцией: а) при нерегулируемой разгрузке, силы веса перемещаемого узла; б) в случае автоматически управляемой - параметров, прямо или косвенно отражающих состояние контакта в направляющих. Различают два вида гидравлической разгрузки направляющих: а) гидроразгрузку [56, 105], при которой разрыв металлического контакта между поверхностями скольжения не наступает; б) гидростатическую, при которой направляющие полностью разделены слоем смазки толщиной 40...100 мкм.

Достоинство обоих видов гидравлической разгрузки - сравнительно простая техническая реализация, возможность создания АСР разгрузки с высокими динамическими показателями качества, К их общим недостаткам следует отнести:

1. Недостаточная стабильность, надежность, вследствие облитерации и засорения малых сечений, что требует периодической промывки системы.

2. Наличие гидронапорной станции и её емкости приводит к увеличению габаритов станка, вибрациям и нежелательным тепловыделениям в случае их совместной компоновки, а при раздельной -увеличиваются производственные площади. Имеют место вибрации основания, а во избежание температурных деформаций для охлаждения смазки вводят холодильные установки.

3. Мя. передачи гидравлического давления на подвижный узел необходимо его соединение с неподвижным элементом посредством гибкого трубопровода. Последний укладывается в транспортер, что усложняет конструкцию.

4. Утечки, приводящие к загрязнению станка и цеха.

5. Трудности создания, точного дозирования и измерения, малых разгружаюпшх усилий, что необходимо для реализации систем .управления трением и положением .узла на направляющих.

class2 ПОВЫШЕНИЕ ТЕХНИЧЕСКОГО УРОВНЯ СИСТЕМ МАГНИТНОЙ

РАЗГРУЗКИ НАПРАВЛЯЩИХ class2

Разработка устройств, снижающих намагниченность направляющих

Выше отмечалось, что одним из аспектов повышения технического уровня СМРН должна быть разработка устройств, снижающих либо исключающих намагниченность поверхностей трения.

Снижение намагниченности направляющих возможно увеличением магнитного сопротивления на пути потоков рассеяния или размагничиванием поверхностей скольжения. В первом случае существенно снижается намагниченность плоскостей трения, а во втором она практически полностью устраняется.

Исследование влияния конструкции системы электромагнитной разгрузки направляющих на температурное поле станка

Изучалось распределение температур в поперечном сечении станка применительно к моделям:

I. Станка 2455 при встройке в корыто станины разгружающего и выравнивающего электромагнитов (рис.3.1), причем источник тепла (100$) приложены непосредственно к сердечникам магнитов: а) разгружающего и выравнивающего одновременно; б) только выравнивающего; в) только разгружающего;

2. Экспериментальной установки (рис.3.2), имитирующей станок 6У6І2 в случае размещения электромагнитов внутри станины;

3. Станка 6У6І2 в двух вариантах: а) встройка СМЕН в корыто станины (рис.3.3); б) то же вне станины (рис.3.4).

Во всех случаях соблюдались условия: а) постоянство характеристик рабочих зазоров электромагнитов: толщина (длина) о = 1,0 мм, среда - воздух, при температуре 20С; б) отсутствие специальных средств охлаждения; в) учет потерь в стали якоря, соответствующих не фильтрованному току питания электромагнитов (коэффициент пульсации р0 = 0,67, частота f = 100 Гц).

Температурное поле при моделировании по варианту 1,а представлено на рис.3.5. Здесь и в дальнейшем эквипотенциальные линии безразмерны и выражают температуру в %% от аналогичного параметра источника тепла. Анализ поля показывает, что безразмерные температуры в теле стола достигают сравнительно больших значений (77...55 ), а тепловой поток наиболее интенсивно распространяется в тело кронштейна и стола. При этом температурный градиент по толщине стола достигает 0,12 %/мл. Та же характеристика в направлении, перпендикулярном предшествующему, ничтожно мала и в пределе составляет 0,026 %/ж.

Малость последнего параметра, а также симметрия системы дают основания полагать, что деформации стола в горизонтальной плоскости в достаточной мере взаимно компенсируются. Очевидно, что при таком градиенте температуры по толщине стола его деформации в вертикальной плоскости будут существенны.

Физическая модель процессов, протекающих в системе магнитной разгрузки направляющих

С целью последующего математического описания рассматривается динамика процессов в системе, моделирующей движение шпиндельной бабки двухстоечного станка. Такой подход обусловлен тем, что поведение подобных систем отличается значительной сложностью. Очевидно, что большинство из упомянутых процессов имеет постоянные составляющие, действующие Е статике.

Физика процессов в системах электромагнитной разгрузки. Ползун (рис.4.1,а) перемещается в направлении оси ОХ по поперечине. Последняя моделируется двухопорной балкой с пролетом tn, моментом инерции 1п поперечного сечения и модулем Еп упругости первого рода. Концы балки жестко заделаны. Это принимается на основе специально проведенного анализа известных технических решений по фиксации поперечины.

Ползун представляется в виде нескольких жестко связанных между собой масс m0i [48].

Конструкции экспериментальных установок

Изучение некоторых аспектов СМЕН показало, что её техничес— кая реализация наиболее .удобна на двухстоечных продольно-обра— батывающих и карусельных станках. Причем возможны два основных варианта встройки магнитов: внешний (вне станины) и внутренний (под столом в корыте станины) (рис.5.1). Здесь применительно к конструкции станка 6У6І2 совмещены технические решения обоих вариантов. На рис.5.1 обозначены: I - станина, 2 - стол, 3, 4 -кронштейны, несущие наружный 5 и внутренний 6 магниты, 7 - каналы системы охлаждения, 8 - упругие прокладки рабочих зазоров магнитов.

Как видно, из рис.5.1, проведение широкого комплекса иссле— дований по п.п.1 и 2 на реальном станке весьма затруднительно. Это обусловлено недоступностью ряда элементов (например,6 многообразием конструктивных решений как самой CMFH, так и системы "стол-станина". Между тем все задачи по п.п.1 и 2 практически могут быть решены на специальных сборно-разборных, переналажи— ваемых (под различные типоразмеры станков, СМЕН и т.д.) установках, имитирующих часть системы "стол-станина". На них воспроизводятся наихудшие условия функционирования СМЕН. Последние выражаются в том, что вследствие неподвижности источника тепловыделений и магнитного потока электромагнита, а также известного ограничения объема конструкции, все температурные и магнит— ные явления более резко выражены. Соответственно получаемые при исследовании результаты имеют экстремальные значения, что существенно повышает прикладную надежность выводов.

Проблема переналаживаемости решается а) широким ассортимен— том модульных пластин, используемых при компоновке исследуемой конструкции СМЕН и системы "стол-станина", причем для изучения влияния различных систем охлаждения в комплект пластин входят