Содержание к диссертации
Введение
Глава I. Состояние вопроса и постановка задачи исследования
1.1. Тепловые деформации как один из факторов, определяющих погрешность обработки на торцешлифовальных станках 9
1.2. Методы определения и компенсации тепловых деформаций станков 19
1.3. Цели и задачи работы 31
Глава 2. Экспериментальное исследование температурных полей и тепловых деформаций станка 35
2.1. Методика измерений 36
2.2. Исследование зависимости погрешности обработки от тепловых деформаций станка 50
2.3. Изменение углового положения кругов при действии различных источников выделения тепла в станке 63
2.4. Исследование тепловых деформаций узлов станка 72
2.5. Изменение углового положения кругов в зависимости от избыточной температуры СОЖ 84
Глава 3. Определение температурного поля ограждения и станины 91
3.1. Выбор и обоснование расчетной схемы 91
3.2. Определение температурного поля ограждения 94
3.3 Определение температуры станины 109
3.4. Экспериментальная проверка распределения избыточных температур станины и тепловых деформаций 112
Глава 4. Разработка и экспериментальная проверка меропри ятий по снижению тепловых дешрмащй станка 123
4.1. Уменьшение тепловых деформаций улучшением конструкции станины 123
4.2. Снижение тепловых деформаций станка подцержанием стабильной температуры СЩ 132
4.3. Компенсация тепловых деформаций станка созданием деформаций противоположного направления 148
4.4. Проверка эффективности метода терморегулирования при шлифовании промышленных партий деталей 172
Основные результати работы 176
Литература 178
Приложения 186
- Методы определения и компенсации тепловых деформаций станков
- Исследование зависимости погрешности обработки от тепловых деформаций станка
- Экспериментальная проверка распределения избыточных температур станины и тепловых деформаций
- Снижение тепловых деформаций станка подцержанием стабильной температуры СЩ
Введение к работе
Требование дальнейшего повышения качества продукции, как это указывалось в решениях ХХУТ съезда КПСС [ I ] , невозможно без повышения точности станочного оборудования. Повышение точности станков невозможно без глубокого и всестороннего изучения процессов, протекающих в станке при его работе. Поскольку станки в процессе эусплуатации подвергаются внешним и внутренним воздействиям, в них неизбежно возникают процессы, которые приводят к изменению технических характеристик, зачастую снижается и качество продукции124,34,35].
Исследования, проведенные советскими (Ю.Н.Соколовым, В.И.Алферовым, М.З.Лурье и др.) и зарубежными (brau/nng Н., Jiangs L. и др.) учеными, показали, что при обработке деталей в станке погрешности, вызванные его тепловыми деформациями, составляют в ряде случаев 40-70% суммарной величины погрешности. Особенно велика доля тепловых деформаций в общей погрешности обработки на станках, предназначенных для финишных операций.
Тепловые деформации, появление которых неизбежно при работе станка, вызываются как увеличением абсолютной температуры станка ( воздействие внешних и внутренних источников тепла) , так и неравномерностью нагрева его узлов ( причиной, как правило, являются внутренние источники тепла) . Чаще всего тепловые деформации станков носят сложный пространственно-временной характер и зависят от многих факторов: расположения источников тепловыделения и мощности теплообразования этих источников, режимов работы станка, эффективности отвода тепла из мест его образования и др.
Из-за неравномерности нагрева узлов станка в процессе его работы изменяется относительное положение инструмента и заготовки. Причем линейные изменения относительного положения инструмента и заготовки приводят к размерным погрешностям, а угловые повороты узлов станка - к погрешностям формы и расположения. Если размерные погрешности относительно легко компенсируются поднастройкой на размер во время работы станка, то угловые повороты узлов станка во время его работы компенсировать сложно. Тем самым наличие угловых поворотов станка во время его работы характеризует несовершенство его компоновки или качества монтажа, а чаще всего то и другое
вместе
[26,2?].
Торцвшлифовальные станки являются высокопроизводительным видом финишного оборудования, применяемым в условиях крупносерийного и массового производства. Большая теплона-пряженность процесса торцешлифования вызывает значительные тепловые деформации его узлов, что приводит к изменению углового положения шлифовальных кругов по сравнению с настроенным на холодном станке. Это служит причиной увеличения погрешности обработки (непостоянства ширины детали, рассеяния ширины в партии) , а также ведет к увеличению шероховатости обработанных поверхностей. Это приводит к ограниченному применению станков для больших партий деталей.
Основной целью работы является повышение точности двусторонних торцешлифовальных станков с горизонтальной осью расположения шпинделей на основе уменьшения как самой величины тепловых деформаций, так и их вредного влияния. Выполнено комплексное теоретическое и экспериментальное исследование тепловых деформаций этих станков. Разработана
методика изучения тепловых деформаций торцешлифовальных станков на основе имитации тепловой части процесса шлифования ; исследована величина тепловых деформаций узлов станка, выделен узел, деформации которого определяют изменение углового положения шлифовальных кругов в процессе нагрева ; показана связь между тепловыми деформациями узлов станка и погрешностью обработки деталей на станке.
Научная новизна заключается в установлении количественной связи между тепловыми деформациями узлов станка и изменением углового положения шлифовальных кругов в процессе работы, а также связи между избыточной температурой СОЖ и изменением углового положения шлифовальных кругов.
Разработана математическая модель распространения тепла от наиболее нагретой части станка - ограждения зоны шлифования - в станину, тепловые деформации которой наиболее значительным образом изменяют взаимное угловое положение шлифовальных кругов.
Разработаны рекомендации по уменьшению тепловых деформаций путем улучшения конструкции станины и теплоизоляции зоны ограждения, а также стабилизацией температуры СОЖ. Разработаны рекомендации по компенсации тепловых деформаций на основе создания тепловых деформаций противоположного направления.
Методы определения и компенсации тепловых деформаций станков
При решении задачи о распределении тепла, величине тепловых деформаций станков используются теоретические и экспериментальные методы и их сочетания.
Тепло, поступающее в станок и определяющее его тепловые деформации, может быть по отношению к станку внешним ( окружающая среда) и внутренним ( тепловыделение в подшипниках шпиндельных опор и в зоне резания) . В тепло превращается часть общей работы резания. Распределение работы резания в соответствии с анализом, проведенным в работе [43], показано на рис. 1.4. Энергия пластических деформаций и работа сил трения определяют тепловую энергию системы. В соответствии с данными ряда работ [ 30,43,44 ] , основанных на теоретичес ких исследованиях, доля энергии, переходящей в тепло, колеблется в значительном диапазоне и, как правило, превышает 75%. В других работах [ 45 ] показано, что 90% всей работы резания превращается в тепло.
При определении теплового состояния станка требуется последовательное решение нескольких задач: определение части работы резания, превращаемой в тепловую энергию ; выбор расчетной схемы распространения тепла во времени и пространстве, с учетом формы корпусных деталей станка, тешгофизических свойств материала и условий теплообмена с окружающей средой (граничные условия ) ; расчет температурных полей ; экспериментальная проверка аналитического расчета.
В настоящее время имеется в основном три метода расчета температурных полей и деформаций станков: аналитический, приближенный и метод моделирования. Каждый из перечисленных методов обладает рядом преимуществ и недостатков.
Работы Ю.Н.Соколова являются одними из первых теоретических работ, выполненных в области тепловых процессов, протекающих в станках [ 51,52 ] . Автор рассматривает стационарное состояние станка и выводит аналитические зависимости для расчета температуры отдельных частей станка в этом состоянии. Для расчета температурных полей корпусных деталей сложной формы последние разбиваются на несколько участков и определяются последовательно температуры характерных точек.
Почти во всех случаях аналитического расчета реальный станок должен быть упрощен для того, чтобы этот метод мог дать желаемые результаты. А.й.Глухеньким и Ж.С.Раввой предложен аналитический метод расчета температурных полей и деформаций узлов и деталей станка [ 16,17 ] . При этом принят ряд допущений, позволяющих рассматривать станок как систему, состоящую из элементов ( пластина, стержень] , для которых расчет теплового состояния приведен в теории теплопередачи. К недостаткам метода можно отнести то, что он весьма громоздок и трудоемок. Для получения решений используется сложный математический аппарат.
Приближенный метод расчета тепловых деформаций, предложенный и используемый Бреннингом, Цангсом, В.И.Алферовым и ДР.(,10,46,3,61,76,77] является прямым, гибким и может быть применен в случаях, когда получить решение данной задачи аналитическими методами трудно или вообще невозможно. Метод основан на приближенных способах решения задач теплопроводности методом элементарных балансов и конечных разностей. Приближенный метод расчета, предложенный В.И.Алферовым [3 ] , позволяет определить тепловые деформации станков при нестационарном тепловом состоянии, однако при сравнении с экспериментальными данными обнаруживается значительная погрешность метода. Это объясняется тем, что при расчете температурного поля станка не учитывается передача тепла в станке путем конвекции и излучения.
При приближенном методе расчета стационарных и нестационарных температурных полей и деформаций, предложенном X.Бреннингом, Л.Цангсом, Т.Сато и др. [ 61,69,76,77 ] станок рассматривается как система, состоящая из ряда элементов ( пластина, диск, стержень, плита ) , тепловое состояние которых определяется приближенным методом конечных разностей ( плоские тела) и конечных элементов (объемные тела)[ 151 48, 62,20J.
Исследование зависимости погрешности обработки от тепловых деформаций станка
Эксперименты по шлифованию промышленных партий поршневых колец проводились на станке мод. МЕ256С0 на черновых, получистовых и чистовых режимах работы. Съем металла при этом составлял соответственно 0,1-0,15 мм, 0,05-0,08 мм и 0,01-0,02 мм. Материал детали - серый легированный чугун индивидуальной отливки, высокопрочный чугун. Диаметр колец 138 мм и 155 мм. Скорость подачи деталей в зону обработки 0,2-0,22 м/с, что соответствует производительности обработки 5500 шт/мин. при диаметре колец 138 мм. При шлифовании использовались круги 750x70x25 мм с одним центральным отверстием и 8-ю периферийными отверстиями 010 мм следующих марок: 54С40НМ29Бвод. (серийные) , бЗСЮНСМПЗБвод., 63СЮНМ213Бвод., 54С40НМ215Бвод., 54С1бНМ215Бвод.. Станок был оснащен индивидуальным баком для очистки и подачи СОЖ в зону шлифования. Характеристика бака: о - емкость 1,2 м ; - площадь теплоотдающей поверхности 10 иг ; - СОЖ располагается на трех уровнях друг над другом ; - СОЖ в зону шлифования подается с помощью насоса центробежного типа П-І80 ; - очистка осуществляется магнитным сепаратором с пропускной способностью 0,2 м / мин. В процессе работы измерялись следующие параметры: - мощность шлифования оценивалась по показаниям амперметров, включенных в цепь асинхронного двигателя. При этом полагалось, что затраты мощности обеих кругов одинаковые. Замеры мощности проводились через каждые 3-5 минут работы станка ; - температура СОЖ на входе в станок и выходе из него с помощью электротермометра ЭТМ-Зб через каждые 3-5 минут работы станка ; - непостоянство ширины детали - выборка из 5 колец, последовательно выходящих из зоны обработки через каждые 5-Ю минут работы станка ; - температура характерных точек станка с помощью термопар. Температура измерялась в следующих характерных точках ( рис. 2.6 ) : Рис. 2.6. Схема расположения характерных точек станка. - на пиноли в зоне передней и задней опоры обоих шпинделей і точки 1-4 ) ; - на крышке шлифовальных бабок в зоне передней и задней опор (точки 5-8) ; - в верхней части станины вблизи ограждения зоны шлифования (точки 9-12) ; -вэнижней части станины (точки 13-14) . Положение шлифовальных кругов относительно двуг друга в горизонтальной и вертикальной плоскостях оценивалось с помощью электроконтактного щупа перед началом работы и после ее окончания. Шлифование промышленных партий поршневых колец показало, что избыточные температуры распределяются неравномерно по узлам станка.
Наибольшую избыточную температуру имело ограждение зоны шлифования и поверхности узлов, находящиеся в непосредственной близости от него. На рис. 2.7 показано изменение температуры характерных точек станка во время работы на черновых режимах шлифования. Тшс температуры в верхней части станины вблизи ограждения (точки 9-12) имели избыточную Температуру 8-ЮС, на крышке шлифовальной бабки вблизи ограждения (точки 5,6) имели избыточную температуру 10,5 - 12С. Наименьшую избыточную температуру имела нижняя часть станины ( точки 13,14) - 2,5С как наиболее удаленная от источников тепловыделения. Избыточная температура СОЖ к этому моменту на выходе из станка составляла 31С, время работы станка - 3 часа с перерывом ( I час)после двух часов работы станка. Измерение положения (углового) шлифовальных кругов перед началом работы и после ее окончания показало, что шлифовальные круги изменяют угловое положение в основном в вертикальной плоскости (табл. 2.1) , в горизонтальной плоскости их положение остается практически постоянным. Изменение углового положения кругов в вертикальной плоскости пропорционально величине избыточной температуры СОЖ и времени шлифования. Изменение углового положения кругов в вертикальной плоскости направлено в сторону увеличения расстояния между верхними точками кругов независимо от первоначально настроенного положения шлифовальных кругов. Для определения взаимосвязи между угловым положением кругов и погрешностью формы детали были произведены измерения ширины деталей в 16 точках при различном угловом положении шлифовальных кругов. Ориентация детали в зоне калибрования, где деталь приобретает окончательную точность, определялась по направлению рисок, оставленных кругами на поверхности детали. Четкий рисунок свидетельствовал о том, что деталь в зоне калибрования вокруг своей оси не вращалась. На рис. 2.8 показаны измеренные значения ширины кольца при параллельно настроенных кругах ( в начале работы станка) и при кругах с отклонением взаимного положения от параллельного.
Экспериментальная проверка распределения избыточных температур станины и тепловых деформаций
Для исследования температурных полей станины был спроектирован, изготовлен и смонтирован стенд (рис. 2.3 ) .
Станина свободно устанавливалась на регулируемых клиньях. Схема расположения клиньев показана на рис. 3.2. Взамен ограждения, носителя теплового потока на станке, на станину устанавливался специально изготовленный бак, крепление которого позволяло регулировать зазор между ним и верхней плоскостью станины. В баке находилась СОЖ, подогреваемая электронагревателем со скоростью, аналогичной скорости изменения температуры СХЖ при шлифовании. Температура станины в процессе нагрева измерялась электротермометром ЭТМ-Зб в характерных точках ( рис. 3.3) . Продолжительность нагрева составляла 5,5 - 6,5 часов. Запись показаний проводилась через 0,5-1 час нагрева.
Параллельно с измерением температурного поля станины проводилось измерение тепловых деформаций станины. Измерение выполнялось индикаторами ІИПМУ от рамной конструкции, жестко закрепленной к стендовой плите. Для повышения точности измерений наконечники индикаторов упирались в полированные пластинки, прикрепленные к поверхности станины в характерных точках. Измерение деформаций велось в горизонтальном и вертикальном направлениях в характерных точках станины I-I2 (рис. 3.4) . По показаниям индикаторов строились графики смещений каждой точки в вертикальном и горизонтальном направлениях, что позволяло получить общую картину деформированного состояния станины в вертикальной и горизонтальной плоскостях.
На рис. 3.5 показано изменение избыточных температур в баке с СОЖ и дна бака в процессе нагрева. Изменение избыточной температуры поверхностей станины при различных вели чинах воздушного зазора показано на рис. З.б . Расчет по формулам 3.25 - 3.27 избыточной температуры поверхностей станины для этих же величин воздушного зазора приведен в табл. З.б. Сравнение величин температуры, измеренных и рассчитанных, показало, что погрешность расчета составляет 10-20%, Измерение температуры перемычки в центральной части станка (рис. 3.3) показало, что перемычка толщиной 0,065 м снижает избыточные температуры на 0,2-0,3С при избыточных температурах поверхности станины 2-4С. Смещения характерных точек станины в вертикальном и горизонтальном направлениях в процессе нагрева показано на рис. 3.7. Из графиков видно, что тепловые деформации станины стабилизируются через 6-7 часов нагрева. На основании графиков смещений характерных точек станины в вертикальном и горизонтальном направлениях построена картина деформированного состояния станины через 6 часов нагрева ( рис. 3.8) в вертикальной плоскости. Совпадение величин смещений в горизонтальном направлении точек 1,2,3, 6,7,8 и 4,5,9,10 свидетельствует, что изгиба в горизонтальной плоскости не наблюдалось. В вертикальной плоскости станина деформировалась как свободно опертая балка.
Сопоставим результаты, полученные при нагреве станины и нагреве станка мод. 3344АР. Ввиду разной величины избыточных температур на поверхности станины (4,5С у станины станка и 3-3,5С у станины) возьмем соотношение изменения углового положения шлифовальных кругов по отношению к избыточной температуре поверхности станины. Так, при нагреве станка изменение углового положения фланцев шпинделей составило 39 мкм, что в пересчете на диаметр шлифовальных кругов составляет 65 мкм, или отношение составляет 65/4,5 =14,4 мкм/вС.
Снижение тепловых деформаций станка подцержанием стабильной температуры СЩ
Аккумулирование СОЖ большей части тепла, выделяемой в процессе шлифования, приводит к неравномерному нагреву корпусных деталей станка в процессе работы. Из-за малой тепло-отдающей способности индивидуальных баков охлаждения температура СОЖ превышает температуру окружающей среды в процессе работы на 20 и более градусов в зависимости от мощности шлифования и продолжительности работы станка. Требование получения деталей в пределах поля допуска на существующих станках требует обеспечения стабильности положения кругов в течение обработки всей партии деталей. Тем самым возникает необходимость ликвидации локального нагрева корпусных деталей станка, находящихся вблизи зоны ограждения станка. Поддержание температуры СОЖ близкой к температуре окружающей среды позволит ликвидировать локальный нагрев и темсамым снизить погрешность обработки, возникающую из-за непараллельного взаимного положения кругов во время работы станка.
Температуру СОЖ при работе с индивидуальным баком охлаждения можно снизить за счет увеличения теплоотдающей поверхности индивидуального бака или за счет применения теп-лообменных устройств [55,25] . Первый способ требует существенного увеличения производственных площадей, что затрудняет его реализацию в цеховых условиях. Второй способ - пропускание СОЖ через обменные устройства - представляется наиболее простым. Очевидно, эффективность теплообменника будет зависеть от теплофизических свойств теплоносителей в теплообменнике [25] . Из теплофизических свойств, в первую очередь, интересны и важны те свойства, которые определяют величину коэффициента теплоотдачи в теплообменнике. На величину коэффициента теплоотдачи влияют следующие факторы: а/ плотность и теплоемкость теплоносителя. Теплоносители, имеющие большие плотность и теплоемкость, позволяют отводить тепло при относительно низких температурних перепадах между входом и выходом в теплообменном апппарате при одинаковых объемных расходах теплоносителя. В этом отношении вода как теплоноситель имеет преимущества перед некоторыми жидкими металлами, обладающими сравнительно малой теплоемкостью. Газы невыгодны с этой точки зрения вследствие их малой плотности ; б/ теплопроводность теплоносителя. Чем выше теплопроводность теплоносителя при прочих равных условиях, тем больше коэффициент теплоотдачи в теплообменнике. Сравним величины коэффициентов теплопроводности таких теплоносителей, как вода, керосин, машинное масло и фреон. При 20С ЛВ0ДЫ=0,597 Вт/м К,
Очевидно, что наиболее выгодным теплоносителем в теплообменнике будет вода, она же имеет меньшую стоимость и наибольшее распространение.
Рассмотрим работу бака с теплообменником. Согласно [ 14] , уравнения теплопередачи для бака с теплообменником при ус-шановившейся температуре будут: При проектировании индивидуальных баков СОЖ с теплообменниками возникает необходимость в расчете ряда параметров. Задача I. Известна теплоотдающая способность теплообменника и допустимая нестабильность температуры СОЖ в индивидуальном баке. Требуется рассчитать, какое количество технической воды необходимо пропускать через теплообменник. Совместное решение системы уравнений /4.1 / позволяет получить уравнение:
Задача 2. Известно количество технической воды, которое можно пропускать через теплообменник. Какова должна быть теплоотдающая способность теплообменника, обеспечивающая поддержание температуры СОЖ в заданных пределах?
