Содержание к диссертации
Введение
СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ 10
1.1. Показатели работоспособности шпиндельных узлов металлорежущих станков II
1.2. Колебания при шлифовании, причины их возникновения и влияние на качество обработки. 16
1.3. Особенности упругой системы внутришлифовальных станков и результаты исследований их статических и динамических характеристик 30
1.4. Обзор существующих конструкций внутришлифовальных головок для обработки глубоких отверстий 33
1.5. Выводы, цель и постановка задачи исследования. 43
2. ТЕОРЕТИЧЕСКОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ И АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК ЭКВИВАЛЕНТНОЙ УПРУГОЙ СИСТЕМЫ ВНУТРИШЛИФОВАЛЬНЫХ СТАНКОВ В УСЛОВИЯХ ОБРАБОТКИ ГЛУБОКИХ ОТВЕРСТИЙ. 46
2.1. Вывод уравнений, определяющих динамические характеристики эквивалентной упругой системы внутришлифовального станка при обработке глубоких отверстий , 52
2.2. Влияние параметров упругой системы внутришлифовальных головок для обработки глубоких отверстий на динамические характеристики эквивалентной упругой системы станка 67
2.3. Влияние эксплуатационных факторов на статические и динамические характеристики эквивалентной упругой системы станка 74
2.3.1. Влияние постоянной составляющей силы резания 74
Влияние амплитуды переменной составляющей силы резания 82
Влияние частоты вращения шпинделя внутришлифовальной головки 86
Анализ устойчивости динамической системы станка в экстремальных условиях обработки глубоких отверстий 87
Выводы 89
КОМПЛЕКС СРВДСТВ И МЕТОДИКА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОГО ИССЛЕДОВАНИЯ 91
Стенд для исследования статических характеристик и режимов колебаний упругой системы внутришлифовального станка с головкой для обработки глубоких отверстий 95
Стенд для исследования динамических характеристик упругой системы внутришлифовального станка в условиях обработки глубоких отверстий 102
Методика и стенды для исследования вибраций подшипников и шпиндельных узлов, собранных на них. 107
ВЛИЯНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК ПОДШИПНИКОВ НА ПОКАЗАТЕЛИ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ШПИНДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ СТАНКОВ 126
Зависимость характеристик подшипников от серии их диаметров 126
Влияние серии диаметров применяемых подшипников на показатели работоспособности шпиндельных узлов. 132
Экспериментальное исследование радиально-упорных шарикоподшипников различных серий диаметров и шпиндельных узлов, собранных на них 144
4.4. Обобщенная оценка радиально-упорных шарикоподшипников различных серий диаметров 145
4.5. Выводы 149
5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК УПРУГОЙ СИСТЕМЫ ВНУТРИШЛИФОВАЛЬНОГО СТАНКА В УСЛОВИЯХ ОБРАБОТКИ ГЛУБОКИХ ОТВЕРСТИЙ 153
5.1. Исследование статических характеристик и режимов колебаний внутришлифовальных головок для обработки глубоких отверстий 154
5.2. Влияние эксплуатационных факторов на динамические характеристики упругой системы внутришлифовального станка с головкой для обработки глубоких отверстий, 175
5.3. Влияние конструктивных параметров внутришлифовальных головок для обработки глубоких отверстий на их динамические характеристики 199
5.4. Исследование вибраций подшипников и внутришлифовальных головок 231
5.5. Исследование динамических характеристик основных элементов несущей системы внутришлифовального станка в условиях обработки глубоких отверстий. 257
5.6. Результаты испытаний внутришлифовальной головки для обработки глубоких отверстий при резании. 268
ОБЩИЕ ВЫВОДЫ, РЕКОМЕНДАЦИИ И ЗАКЛЮЧЕНИЕ 276
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 280
ПРИЛОЖЕНИЯ
- Показатели работоспособности шпиндельных узлов металлорежущих станков
- Вывод уравнений, определяющих динамические характеристики эквивалентной упругой системы внутришлифовального станка при обработке глубоких отверстий
- Стенд для исследования статических характеристик и режимов колебаний упругой системы внутришлифовального станка с головкой для обработки глубоких отверстий
- Зависимость характеристик подшипников от серии их диаметров
- Исследование статических характеристик и режимов колебаний внутришлифовальных головок для обработки глубоких отверстий
Показатели работоспособности шпиндельных узлов металлорежущих станков
Опыт эксплуатации шпиндельных узлов различного конструктивного исполнения показывает [104,129,137] , что основным источником отказов их в работе являются подшипники опор. Повреждения подшипников могут быть обусловлены как спецификой условий эксплуатации (высокие скорости, большие нагрузки, состояние окружающей среды и т.п.), так и ошибками, допущенными при проектировании новой конструкции. Поэтому при проведении конструкторских работ по созданию новых, более совершенных, моделей шпиндельных узлов необходимо определить показатели их работоспособности, а также критерии для оценки и сравнения существующих и новых конкурирующих вариантов держит более широкий перечень показателей, причем реальные значения некоторых из них, существенно влияющих на точность и производительность обработки, можно определить только экспериментально, что позволит объективно оценить конструкцию в целом. В свою очередь, эту группу показателей можно разбить на две подгруппы по виду их влияния, позитивному или негативному, оказываемому на точность обработки (табл. 1.2). На основании изложенного выше предлагается обобщенный критерий для оценки работоспособности шпиндельного узла, определяемый как отношение произведения показателей, увеличение которых приводит к повышению точности и производительности обработки, к произведению показателей, увеличение которых вызывает снижение точности и производительности обработки. Так как желательно, чтобы обобщенный показатель работоспособности был представлен в безразмерном виде [Зі] , то будем определять составляющие его элементы в виде отношения различных показателей работоспособности исследуемой конструкции к аналогичным показателям некоторого варианта, принятого за базовый, то есть где K - коэффициент, характеризующий отношение показателя работоспособности с -го варианта к показателю базового варианта; в і - значение показателя работоспособности L -го варианта; Og- значение показателя работоспособности базового варианта.
Вывод уравнений, определяющих динамические характеристики эквивалентной упругой системы внутришлифовального станка при обработке глубоких отверстий
Для определения динамической характеристики ЭУС внутришлифовального станка при обработке глубоких отверстий с учетом технико-эксплуатационных и конструктивных параметров внутришлифо-вальной головки составим расчетную схему.
Предварительный анализ форм колебаний внутришлифовального станка с головкой для обработки глубоких отверстия показал, что колебания его несущей системы слабо связаны с УС скоростного шпиндельного узла. Учитывая также, что потеря устойчивости динамической системы (внутришлифовального) станка при шлифовании глубоких отверстий определяется колебаниями шпинделя и корпуса головки при решении поставленной задачи, можно воспользоваться расчетной схемой только скоростного шпиндельного узла, исключив из рассмотрения другие элементы системы (шлифовальную бабку, стол, станину, бабку изделия и т.д.).
Расчетная схема представлена на рис. 2.3. В соответствии с этой схемой горизонтальный шпиндель массой /77/ с кругом вращается в опорах с постоянной угловой скоростью сОо . В передней опоре действуют силы упруго-вязкого сопротивления. Силы упругого сопротивления пропорциональны перемещению. Коэффициент пропорциональности С/ численно равен модулю силы упругого сопротивления при перемещении, равном единице. Силы вязкого сопротивления пропорциональны первой степени скорости перемещения. Коэффициент пропорциональности hi численно равен модулю силы вязкого сопротивления при скорости перемещения, равной единице. Задняя опора принята в виде жесткого шарнира, обеспечивающего только угловые перемещения. Расстояние между опорами - -i4 , расстояние от передней опоры до точки приложения силы резания F-z - а . Опоры шпинделя установлены в гильзе (корпусе) массой mz . Коэффициенты пропорциональности при силах упругого сопротивления - С2 , при силах вязкого сопротивления - Лй . Вылет гильзы от места закрепления в кронштейне - iz . При таком представлении скоростного шпиндельного узла для обработки глубоких отверстий относительная погрешность при определении собственных частот в диапазоне от 0 до 1000 Гц не превышает 7 10%.
Стенд для исследования статических характеристик и режимов колебаний упругой системы внутришлифовального станка с головкой для обработки глубоких отверстий
Схема стенда и блок-схема соединения аппаратуры представлены на рис. 3.1. Возмущающие постоянное и синусоидальное силовые воздействия прикладываются к шпинделю круга внутришлифовальной головки с помощью электромагнитного вибратора, закрепленного в невращающемся шпинделе изделия внутришлифовального станка мод. ЗК227В. Используемый вибратор имеет две рабочие и одну измерительную катушки. Р&бочая катушка постоянного тока содержит 800 витков, переменного тока - 600 витков, измерительная - 330 витков. Вибратор позволяет получать линейно изменяющиеся: величину постоянного тянущего усилия - 60...810 Н; амплитуду переменного тянущего усилия - 20...200 Н с частотой до 1000 Гц. Кашутки расположены на каркасе, который устанавливается на Ш-образном сердечнике из трансформаторной стали, ширина рабочей зоны вибратора составляет 20 мм и равна толщине набора пластин в Ш-образном сердечнике. В качестве внешнего якоря используется набор дисков 0 60 мм, устанавливаемых на шпинделе круга внутришлифовальной головки. Так как тяговое усилие вибратора зависит от множества факторов, то для получения достоверных результатов его силовые характеристики были определены экспериментально (рис. 3.2 3.4) методом сличения f30j.
.Амплитуда переменного возмущающего воздействия, развиваемого вибратором, определялась по величине э.д.с, наводимой в измерительной катушке. Величина постоянного возмущающего воздействия определялась косвенным методом по величине упругой деформации корпуса внутришлифовальной головки с помощью бесконтактного вихретокового преобразователя (датчика), характеристики которого приведены на рис. 3.5.
Для исследования статических характеристик и режимов колебаний ЭУС станка с головкой для обработки глубоких отверстий СИР налы, полученные от датчиков силы и перемещения, подаются для контроля уровня и формы на осциллограф CI-77, а затем записываются на магнитограф {1BS-5. Амплитуда переменного возмущающего воздействия при этом измерялась с помощью лампового вольтметра ВЗ-2А по среднеквадратичным значениям СКЗ. После накопления достаточного для статистической надежности результатов измерений объема информации о колебаниях УС при различных значениях частоты, амплитуды переменного и величины постоянного силовых воздействий, сигналы датчиков, записанные на промежуточный носитель (магнитная лента), переносятся на фотобумагу с помощью шлейфового осциллографа мод. НІІ5. При этом перед записью осуществляется контроль сигналов, поступающих с выхода магнитографа на вход шлейфового осциллографа, и исключаются выскакивающие значения. Предварительными экспериментами было установлено, что в диапазо - 102 не изменения частот возмущающего воздействия от 25 Гц до 500 Гц достаточная для статистической надежности измерений продолжительность записи составляет, при скорости движения фотоленты 4=1000 мм/с от 0,8 с до 0,04 с соответственно.
Зависимость характеристик подшипников от серии их диаметров
Габаритные размеры подшипников. Сопоставление габаритных размеров радиально-упорных шарикоподшипников серии диаметров 9 (сверхлегкая), I (особолегкая) и 2 (легкая) показывает.
Уменьшение наружного диаметра подшипников имеет весьма существенное значение там, где рабочее пространство шпиндельного узла ограничено, например, внутришлифовальные шпиндели для обработки глубоких отверстий и т.п. Увеличение диаметров отверстий подшипников (при равных наружных диаметрах) повышает жесткость шпиндельных узлов. Это обстоятельство важно, в первую очередь, для быстроходных шпиндельных узлов шлифовальных станков, где в ограниченные габариты корпусов внутришлифовальных головок необходимо вписать максимально возможный диаметр шпинделя, обеспечивающий повышение жесткости. Немаловажное значение этот факт имеет и для шпинделя изделия внутришлифовальных, токарных и других станков, где,кроме повышения жесткости,расширяются их технологические возможности, благодаря увеличению диаметров отверстий в шпинделях.
Исследование статических характеристик и режимов колебаний внутришлифовальных головок для обработки глубоких отверстий
Одним из важнейших показателей работоспособности станка является его статическая точность, определяемая величиной упругих смещений узлов и элементов УС под действием сил резания. Статическая точность внутришлифовального станка в условиях обработки глубоких отверстий прежде всего зависит от статической жесткости шлифовальной головки, упругие смещения рабочего конца шпинделя которой складываются из деформаций корпуса, собственно шпинделя, опор и сопряженных с ними деталей.
Податливость внутришлифовальной головки К IF) может быть ориентировочно определена по формуле где Q - вылет консоли шпинделя; lf - расстояние между опорами; Jet » Ji - моменты инерции сечения шпинделя на консоли и в пролете между опорами, соответственно; S# , 5Г - площади сечений шпинделя на консоли и в пролете между опорами, соответствен но; Л -т - отношение вылета консоли шпинделя к длине его
Ч межопорной части; 6 - коэффициент защемления шпинделя в опорах [49]; lz - вылет консоли корпуса; J% - момент инерции сечения корпуса; - площадь сечения корпуса; - модуль упругости.
Существующие конструкции внутришлифовальных головок для обработки глубоких отверстий имеют жесткость шпинделя порядка (8...I00) ICr Н/м и общую жесткость порядка (0,7...5)»10 Н/м в зависимости от типоразмера.
Анализ выражения (5.1) показывает, что основными направлениями по снижению податливости шлифовальных головок являются: увеличение диаметра консоли корпуса до максимального значения, исходя из условия Д,= ( 0,6...0,7)- dom$ , где Д - диаметр консоли корпуса; don,8r диаметр обрабатываемого отверстия; увеличение диаметра консоли и межопорной части шпинделя; оптимизация расстояния между опорами; повышение жесткости опор. Работы в этих направлениях ведутся многими отечественными заводами и зарубежными фирмами.
Однако, поскольку формула (5.1) только в первом приближении отражает общие закономерности изменения статической жесткости головок, необходимо провести ряд экспериментальных исследований для получения конкретных результатов.
Экспериментальное определение статической жесткости внутри-шлифовальных головок проводилось в соответствии с ГОСТ 13097-70 на специальном стенде. Нагрузка F измерялась с помощью отта-рированного динамометра. Величина жесткости J(F) вычислялась как отношение радиальной силы F к перемещению y(F) элементов УС головки под действием этой силы. Кроме того, поскольку для динамических расчетов важно приращение деформаций, то жесткость AJr(F/ определялась также, как отношение приращения силы А г к приращению перемещения Ay(uF) .
Для более четкого выявления зависимости статических характеристик от различных факторов использовалась специальная внут-ришлифовальная головка - стенд, позволяющая изменять конструктивные параметры и конструктивное исполнение ее отдельных элементов.
Влияние величины межопорного расстояния. Результаты измерений статической жесткости шпинделя внутришлифовальной головки с различным межопорным расстоянием представлены на рис. 5.1. Анализ результатов показывает, что с увеличением межопорного расстояния происходит резкое снижение жесткости шпинделя, хотя нагрузка, при которой раскрывается стык подшипников передней опоры, несколько увеличивается. Таким образом, при оптимизационных статических расчетах шпиндельных узлов с учетом явления раскрытия стыка подшипников, при определенном соотношении радиальной и осевой нагрузок на опору, необходим компромисс между стремлением получить максимально возможное значение статической жесткости и стремлением сохранить это значение на большем диапазоне изменения нагрузок. Данный факт ранее не учитывался при исследовании и проектировании шпиндельных узлов.
Влияние схемы расположения подшипников в опоре. В скоростных шпиндельных узлах и, в частности, внутришлифовальных головках радиально-упорные шарикоподшипники, как правило, устанавливают парами с целью повышения жесткости и несущей способности опор. При этом имеется возможность реализации трех конструктивных схем расположения подшипников в опоре: дуплекс-"0"; дуплекс-"!" ("тандем"); дуплекс-")? . Выбор схемы расположения подшипников в каждом конкретном случае в настоящее время осуществляется, исходя из условий теплового режима и требуемого коэффициента быстроходности шпинделя без учета изменения жесткости опор [90], которая принимается одинаковой. Такой подход может привести к ошибочным выводам при анализе альтернативных вариантов конструктивных решений шпиндельных узлов одного назначения. Поэтому, нами было проведено экспериментальное исследование статической жесткости шпинделя внутришлифовальной головки - стенда в зависимости от схемы расположения подшипников в опорах.
