Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса и задачи исследования 8
1.1. Обзор теоретических и экспериментальных исследований 8
1.2. Кинематическая структура и основные погрешности зубофрезерных станков 20
1.3. Цель и задачи работы 23
Глава 2. Теоретическое исследование кинематической точности тяжелых зубофрезерных станков
2.1. Анализ применяемых методов расчета точности кинематических цепей на примере тяжелых зубофрезерных станков 25
2.2. Разработка методов расчета кинематической точности зубофрезерных станков 27
2.2.1. Метод укрупненного расчета 27
2.2.2. Обобщение данных о погрешностях изготовления элементов звеньев кинематических цепей 30
2.2.3. Анализ распределения погрешностей изготовления элементов звеньев кинематических цепей 31
2.2.4. Суммирование погрешностей в кинематических цепях станков 37
2.3. Усовершенствованный метод расчета кинематической точности зубофрезерного станка . 39
2.4. Методика исследования кинематической точности зубофрезерного станка 54
2.5. Алгоритм и программа расчета кинематической точности зубофрезерного станка на ЭВМ 64
2.6. Исследование кинематической точности тяжелых зубофрезерных станков 68
2.7. Влияние параметров делительной червячной передачи на кинематическую точность станка 84
Глава 3. Экспериментальное исследование кинематической точности тяжелых зубофрезерных станков
3.1. Задачи экспериментального исследования 118
3.2. Измерительный комплекс для определения кинематической погрешности станка, сил резания и их спекров 118
3.2.1. Описание измерительного комплекса 121
3.2.2. Градуировка измерительного комплекса 126
3.2.3. Исследование измерительного комплекса 131
3.3. Методика проведения экспериментального исследования 140
3.3.1. Объекты и методика проведения эксперимента 140
3.3.2. Проведение измерений и получение спектров 145
3.3.3. Методика обработки экспериментальных данных 150
3.4. Проведение эксперимента и его результаты 152
3.5. Анализ результатов экспериментального исследования 172
3.6. Способ определения баланса точности птанка 197
Глава 4. Сопоставление теоретического и экспериментального исследований и разработка мероприятий по повышению точности тяжелых зубофрезерных станков
4.1. Сравнение результатов теоретического и экспериментального исследований 201
4.2. Корректировка метода расчета точности станка 204
4.3. Выбор рациональной структуры и параметров звеньев точностной кинематической цепи зу-бофрезерного станка 206
4.4. Компенсация погрешностей зубчатых передач при сборке узлов станка 213
4.5. Компенсация погрешности установки нарезаемого колеса 225
4.6. Регулирование положения инструмента при резании... 229
Основные результаты работы. 233
Литература 236
Приложение
- Кинематическая структура и основные погрешности зубофрезерных станков
- Разработка методов расчета кинематической точности зубофрезерных станков
- Усовершенствованный метод расчета кинематической точности зубофрезерного станка
- Измерительный комплекс для определения кинематической погрешности станка, сил резания и их спекров
Кинематическая структура и основные погрешности зубофрезерных станков
На кинематическую точность зубофрезерного станка оказывают влияние лишь цепи обката и дифференциала (точностные цепи), которые связывают конечные перемещения между изделием А и инструментом С. Совокупность точностных цепей образует точностную систему исследуемого станка [61 ] .
Структурное построение точностной системы оказывает значительное влияние на выходные показатели точности зубофрезерного станка. Цепь обката зубофрезерных станков строят с условием обеспечения выходными звеньями большого передаточного числа и максимальной точности. Чем выше класс точности станка, тем к большему передаточному отношению выходных звеньев стремятся при проектировании зубофрезерных станков [16, 94] . Структуру кинематической цепи определяют место расположения маховика и место присоединения привода [19, 87, 94] .
Распределение передаточного отношения между промежуточными звеньями точностной системы зубофрезерных станков различно. В практике станкостроения различных фирм применяют рассеивающую, частично рассеивающую и нерассеивающую кинематику. Рассеивающая кинематика предусматривает отсутствие общих множителей в передаточных отношениях промежуточных звеньев кинематической цепи. Если промежуточные передачи имеют равные или кратные передаточные отношения, то структура кинематической цепи имеет нерассеивающую кинематику.
Для повышения кинематической точности зубофрезерных станков стремятся уменьшить количество промежуточных звеньев кинематической цепи, применить встроенные коррегиругощие гитары и коррекционные устройства [47 J , осуществить выборку зазоров, создать локальный предварительный натяг как в отдельных элементах кинематической цепи, так и на её участках, применить взаимную компенсацию накопленных погрешностей отдельных передач в цепях с нерассеивающей кинематикой и т.д. [70, 94J . Вместо длинных кинематических цепей применяют электро-механические системы синхронной связи высокой добротности [б ]. Эти мероприятия в значительной степени влияют не только на структуру кинематических цепей зубофрезерных станков,но и на параметры их звеньев.
Однако, до настоящего времени точностные цепи, в частности, тяжелых зубофрезерных станков проектировали из условий обеспечения заданных номинальных конечных перемещений и скоростей, а вопросам влияния структуры кинематической цепи на её выходную точность уделяли недостаточное внимание. Поэтому весьма актуальна задача обоснованного выбора лучшего варианта точностной кинематической цепи или её участка по критерию функциональной (кинематической) точности. Не менее актуальна задача синтеза оптимальной кинематической структуры на ранних стадиях проектирования станков.
Точность кинематической цепи взаимосвязанного поворота стола зубофрезерного станка относительно фрезы определяют по накопленной Fp и периодической погрешности поворота fz посредством угломерных приборов (типа кинематомера) [85, 86] . Накопленная погрешность Fp является низкочастотной, а периодическая погрешность поворота -fz - высокочастотной составляющей кинематической погрешно г» сти цепи обката г зубофрезерного станка.
Известно [15, 16, 94 J , что в общем виде при нарезании зубчатого колеса червячной фрезой с числом заходов Кз кинематическая погрешность зубофрезерного станка может быть представлена выражением: где К - составляющая кинематической погрешности, характеризующая погрешность ветви цепи обката от гитары деления до нарезаемого колеса;не зависит от числа нарезаемых зубьев 2 и является постоянной величиной для станка; К2 - составляющая кинематической погрешности, характеризующая погрешность ветви цепи обката от инструмента до гитары деления включительно, зависит от числа нарезаемых зубьев Z и является переменной величиной для станка. Линейные перемещения на радиусе делительной окружностиtd нарезаемого колеса модулем /77 будут:
Из зависимости (I.I) видно, что кинематическая погрешность цепи обката с ростом нарезаемых зубьев ZA колеса уменьшается по гиперболическому закону. При увеличении числа нарезаемых зубьев величина кинематической погрешности в большей мере определяется постоянной составляющей погрешности, при уменьшении доли переменной составляющей. И, наоборот, при уменьшении ZA В образовании г, роль переменной составляющей значительно возрастает.
Анализ зависимости (1.2) показывает, что кинематическая погрешность не всегда пропорциональна делительному диаметру нарезаемого зубчатого колеса. Так, только погрешности изготовления и монтажа делительной червячной пары и промежуточных зубчатых передач до гитары деления, порождают часть кинематической погрешности, пропорциональной делительному диаметру, а другая часть погрешности образуется инструментальной ветвью цепи обката и пропорциональна модулю нарезаемого колеса. Только накопленная погрешность гр строго пропорциональна диаметру нарезаемого колеса.
Анализ результатов измерения кинематической погрешности [15] кинематомером КН-6М на 15 станках мод. 5А342 (класс точности Н), настроенных на нарезание колес с различным числом зубьев, показал, что при малом числе зубьев ( ZA = 40...45) величина постоянной составляющей погрешности составляет в среднем 47 % полной погрешности, а при большем числе нарезаемых зубьев ( 2д = 90...200) -- 67 %. Расчетное значение составляет соответственно 32 и 98 %. Следовательно, величина переменной составляющей кинематической погрешности не уменьшается пропорционально изменению ZA , что указывает на значительную роль погрешностей изготовления и монтажа промежуточных передач цепи обката в возникновении кинематической погрешности и в общем балансе точности станка.
Поэтому необходимо расчетным путем проследить за изменением р зубофрезерного станка в применяемом диапазоне изменения не только числа нарезаемых зубьев ZA и модулей /Т)д , но и углов наклона зубьев д зубчатых колес.
Разработка методов расчета кинематической точности зубофрезерных станков
В основу метода укрупненного расчета [15, 92J положены следующие соображения. Поскольку кинематические цепи обката зубофрезерных станков строятся таким образом, что наибольшая редукция осуществляется конечными звеньями цепи перед инструментом и нарезаемым зубчатым колесом, а промежуточные передачи имеют передаточные отношения близкие к единице и примерно одинаковые точности изготовления и монтажа, то они одинаково влияют на образование погрешности обработки зубчатого колеса на станке. Поэтому вместо рассмотрения каждого звена кинематической цепи и приведения погрешностей к конечному звену, как показано в методах [46, 61J , рассматриваются погрешности отдельных участков цепи: конечных звеньев - делительной червячной передачи стола и ци -линдрической (червячной) передачи суппорта; групп цилиндрических и конических передач цепи. В группе объединены зубчатые передачи одной степени точности и группа заменена типовым звеном со средними для этой группы значениями геометрических параметров точности изготовления и монтажа. Различие размеров элементов- звеньев цепи и типовым звеном учитывается коэффициентом из соотношений масштабности Hi =—----- Параметры типового звена определяются где П - число звеньев в кинематической цепи; Zl и ГПі - соответс-твенно число зубьев и модуль і -го звена кинематической цепи; Zm и fflm- соответственно число зубьев и модуль типового звена кинематической цепи. Zm округляют до ближайшего целого числа, а т -до ближайшего стандартного модуля. Погрешность типового звена определяют аналогично погрешности реального звена и в дальнейшем расчет производится в соответствии с методами [46, 61J Для оценки точности расчета по этому методу были произведены расчеты кинематической погрешности тяжелых зубофрезерных станков мод. 5В370, 5А342 и 5А342П хк Сопоставление результатов расчета с результатами измерения точности нарезанных колес показало, что точность расчета по предложенному методу находится в пределах разброса результатов расчета по методам [46, 61] . Установлено, что о этот метод значительно проще и менее трудоемок, чем анализируемые методы. Метод укрупненного расчета кинематической точности зубофрезерных станков позволяет проводить расчет не только на этапе рабочего проекта станка, но и на более ранних стадиях проектирования: технического предложения и эскизного проекта. Подробные материалы этого метода были переданы в отдел главного конструктора тяжелых и уникальных станков Коломенского СПО и использовались при расчете и выборе рациональных вариантов кинематических цепей специальных тяжелых зубофрезерных станков мод. КУ-279, КУ-ЗОб, а также на ранних этапах проектирования тяжелых горизонтальных зубофрезерных станков мод. 5В375, 5В373П и при разработке технического предложения на модернизацию новой гаммы тяжелых вертикальных зубофрезерных станков мод. 5В342П, 5В343П, 5В345П, 5В348П и др.
Однако, следует отметить, что этот метод не может учитывать всех конструктивных особенностей построения кинематических цепей, обладает сравнительно невысокой точностью (он основан на базе методов [46, 61] и имеет их органические недостатки) и может быть рекомендован как приближенный метод для ориентировочных точностных расчетов кинематических цепей металлорежущих станков. Для проведения более точного и достоверного анализа кинематической точности проектируемых зубофрезерных станков, а также выбора лучшего варианта построения кинематической цепи необходим более совершенный метод.
Анализ современного состояния вопроса позволяет предположить, что погрешности применяемых методов расчета определяются в следующем: I) При расчетах величины погрешностей звеньев кинематических це пей устанавливают по максимальным отклонениям из чертежей детелей, что не соответствует фактической точности изготовления элементов звеньев. При расчетах кинематической точности цепей необходимо учитывать не максимальные значения погрешностей, а статистические значения распределения погрешностей, характерные для механосборочных производств, выпускающих зубофрезерные станки. 2) Арифметическое [бі] и геометрическое [46] суммирование погрешностей упрощенно представляют картину переноса погрешностей промежуточных звеньев на конечные звенья. Необходим новый подход к решению вопроса о суммировании погрешностей в кинематических цепях станков. 3) Методы расчета не учитывают влияния отдельных параметров делительной червячной передачи на выходную точность зубофрезерного станка [15, 16, 94J . 4) Закономерности трансформации высокочастотных составляющих кинематической погрешности цепи обката в погрешность нарезаемого зубчатого колеса, как показали проведенные ранее исследования [19, 20, 48, 53, 95, 97, 101J , сложны, зависят от динамических факторов и практически не учитываются применяемыми методами расчета. 5) Методы расчета не учитывают влияния динамических явлений процесса зубофрезерования на кинематическую точность зубофрезерного станка, а результаты проведенных экспериментальных исследований [18...21, 27, 58, 59, 95, 96, I02J свидетельствуют о существенном влиянии их на формирование кинематической погрешности.
Усовершенствованный метод расчета кинематической точности зубофрезерного станка
Минимальные значения погрешностей всегда больше нуля (табл. 2.3, рис. 2.1,2.2). Распределения погрешностей изготовления элементов звеньев и станка подчиняются приблизительно нормальному закону.
В результате статистических исследований точности обработки больших партий деталей тяжелых зубофрезерных станков была взята за основу для построения метода расчета модель полей рассеяния для элементов звена и для станка, показанная на рис. 2.3 [73 J . Расчет кинематической точности станков, имеющих сложные кинематические цепи, должен базироваться на реальных полях рассеяния погрешностей изготовления элементов звеньев точностных цепей станков с учетом диапазонов изменения относительных параметров рассеяния (табл. 2.4). Поэтому при расчете точности кинематических цепей станков целесообразно определять два основных показателя кинематической точности станка: координату середины поля рассеяния и величину поля рассеяния. Исходя из принципов теории вероятностей, математической статистики [23 ] , теории размерных [103J и кинематических цепей [41, 99 J , необходимо определять координату середины поля рассеяния /лОд путем арифметического суммирования величин Z\w&, а величину поля рассеяния 60 - путем квадратического суммирования величин носят вероятностный характер, т.к. исследуется точность множества геометрически подобных точностных цепей станков, выполненных по одним и тем же чертежам в соответствии с одними и теми же нормами точности в стабильных условиях производства (а не точность конкретного экземпляра станка). Основные показатели кинематической точности станка определяются координатой середины поля рассеяния кинематической погрешности где/41А- коэффициент приведения погрешности (от і -го звена к выходному звену к);Аи)і, COi - соответственно координата середины поля рассеяния и величина поля рассеяния кинематической погрешности і -го звена; Д , Е - индексы, отражающие суммирование соответственно разно и равночастотных кинематических погрешностей звеньев. Основные показатели кинематической точности L -го звена: или, используя линейные составляющие погрешности Обе і звена (выражаемые через линейные допуски и, следовательно, изменяющиеся от 0 ДоЙс; , где С - обобщенный индекс составляющих погрешностей; Р , J- , /71 , U - индексы соответственно накопленной,і циклической, монтажной и деформативной погрешностей; Кд , Ки) - коэффициенты перехода соответственно для величин Л 60 и 60 .
Коэффициенты перехода могут быть определены следующим образом: где L\(A)L, U)l - относительные значения соответственно величин ДбОї, Ш і элементов звеньев, определяемые также через максимальные значения погрешностей А і (впрактике тяжелого станкостроения ? о Аьоі = 0,б...0,7; ш і = 0,6...0,8), Ki - коэффициент относительного рассеяния (Ki. = 1...1,73) (см. табл. 2.4). В соответствии с рис. 2.3 минимальное значение действительной кинематической погрешности станка: максимальное значение ее При суммировании погрешностей в кинематических цепях станков для конкретных условий производства значения коэффициентов перехода Кд и КбО могут быть получены статистическим путем. При отсутствии опытных данных можно воспользоваться табл. 2.5, где строка с индексом 2/3 отвечает стабильному технологическому процессу с отбраковкой крайних изделий, 3/4 - то же без отбраковки, 4/5 - нестабильному процессу [73] .
Измерительный комплекс для определения кинематической погрешности станка, сил резания и их спекров
Для этого необходимо решить следующие основные задачи исследования: разработать и исследовать измерительный комплекс для одновременного измерения кинематической погрешности и сил резания с последующим определением их спектров; разработать метод экспериментального исследования кинематической погрешности тяжелого зубофрезерного станка; исследовать амплитудно-частотный состав кинематической погрешности и сил резания при обработке зубчатых колес из материалов с различными физико-механическими свойствами при различных условиях резания; провести анализ спектрального состава кинематической погрешности станка с целью определения источников и величины погрешностей кинематической цепи для проверки полученных в работе теоретических выводов.
Для решения поставленных задач в исследовании разработан специальный измерительный комплекс, принципиальная схема которого представлена на рис. 3.1. Измерительный комплекс содержит кинема-томер КН-6М с датчиками фрезы I и стола 2,подключенными к электронному блоку кинематомера 13. К выходу кинематомера параллельно подключены шлейфовый осциллограф 15 и четырехканальный магнитофон 16, который связан с анализатором реального времени 17. Динамометры для измерений крутящего момента на червячной фрезе 3, составляющих силы резания Ру и гг 4 и осевой силы Рх 5 связаны со шлей-фовым осциллографом 14 и магнитофоном 16. Электрические сигналы от динамометров (от динамометра крутящего момента через токосъёмник б) усиливают посредством трехканального и одноканального усилителей 7 и пропускают через специальные электрические фильтры 8. Соответствующие сигналы (кинематическая погрешность п; ,И , г , гу , Гг ) с магнитофона 16 после транспонирования подаются на анализатор реального времени 17 с последующей записью соответствующих спектрограмм на самописце 18. Синхронная запись кинематической погрешности и составляющих силы резания осуществляется с помощью блока управления 12 с фиксацией каждого оборота фрезы от отметчика 9 и его блока 10 и каждого оборота (или доли оборота) стола от отметчика II.
Записанный на магнитофон типа 7005 OlUBc сигнал пропускается через узкополосный анализатор в реальном времени типа 3348u7uec , который представляет собой аналого-цифровую измерительную систему для быстрого анализа в узких частотных полосах, а спектр его автоматически записывается на диаграммной бумаге самописца типа 2307 ВъйВС . Для получения спектров кинематической погрешности зубо-фрезерного станка в инфрачастотном диапазоне от 10 3 Гц её запись на магнитофоне подвергалась транспонированию с 10 кратным увеличением скорости движения ленты. Использование магнитофона с частот-номодулированной записью по постоянному току не только как накопителя информации, но и как транспониатора, позволило впервые полу чить спектр кинематической погрешности станка в инфрачастотном диапазоне.
Установка для измерения кинематической погрешности зубофре зерного станка и крутящего момента на червячной фрезе показана на рис. 3.2. Известные кинематомеры КН-3, КН-6М, КН-7У, K-IM и другие позволяют измерять кинематическую погрешность зубофрезерного сззан-ка не только при холостом ходе, но и в процессе работы станка. Однако отсутствует конструктивное решение по установке датчиков фрезы и стола при измерении кинематической погрешности станка в процессе резания. Возможная установка ротора датчика фрезы на фрезерную оправку рядом с фрезой требует увеличения расстояния между опорами фрезерной оправки, что снижает жесткость системы СПИД [27] . Установка же ротора датчика фрезы на свободном конце фрезерного шпинделя снижает точность измерения в связи с исключением упругого скручивания фрезерной оправки при резании [58] .
Установка содержит фрезерную оправку I с червячной фрезой 2, которая в осевом направлении закреплена посредством гайки 3, вы -полненной в виде втулки и снабженной цилиндрическими концентричными оси оправки посадочными поверхностями 4 и 5 соответственно под оправку и ротор датчика фрезы. На посадочную поверхность 5 гайки 3 установлен ротор датчика фрезы б, а посадочной поверхностью 4 гай-ка центрируется относительно оси фрезерной оправки. Статор 7 датчика фрезы закреплен посредством двухпараллелограммного механизма к корпусу фрезерного суппорта 8. Ротор датчика стола 9 закреп -лен на нарезаемом колесе 10, расположенном на столе станка II. Статор датчика стола закреплен неподвижно посредством двухпараллелограммного механизма к корпусу задней стойки зубофрезерного станка. Датчики фрезы и стола связаны с электронно-регистрирующей аппаратурой 12 кинематомера КН-6М. Конструктивное решение по ус тановке датчиков фрезы и стола при измерении кинематической погрешности станка в процессе резания защищено авторским свидетельством [77 J . Установка позволяет измерить кинематическую погрешность как при холостом ходе зубофрезерного станка, так и в процессе нарезания зубчатого колеса без изменения технологической жесткости системы СПИД. Динамометр включает в себя фрезерную оправку I, имеющую специальную цилиндрическую шейку с диаметром, равным диаметру оправки под червячную фрезу 2. На цилиндрическую поверхность шейки оправки наклеены под углом 45 к оси четыре рабочих тензодатчика сопротивления 15, соединенные в схему полного моста [102]. Для исключения температурного влияния деформации изгиба оправки на показания динамометра на оправке параллельно ее оси наклеены два компенсационных датчика сопротивления. При резании происходит скручивание фрезерной оправки, что ведет к разбалансу измерительного моста и появлению электрического сигнала, пропорционального нагрузке. Съем электрического сигнала с вращающейся фрезерной оправки осуществляется с помощью ртутного токосъемника 13, закрепленного на свободном конце шпинделя. От ртутного токосъемника электрический сигнал поступает на усилительно-регистрирующую аппаратуру 14, состоящую из усилителя типа \ІМ ІЗІ фирмы пН и шлейфового осциллографа типа Н-ІІ7.
