Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Обзор работ по приводам машинных агрегатов и постановка задачи исследования 11
1.1. Современное состояние теории приводов машин 11
1.2. Работы по исследованию машин со сложным движением исполнительных органов . 12
1.3. Постановка задачи исследования 13
Глава 2. Особенности кинематики шюского торцового шлифования при высоких скоростях круговой подачи деталей 19
2.1. Траектория и скорость микрорезания . 19
2.2. Неравномерность скорости микрорезания 29
2.3. Эцект верчения абразивных зерен . 40
Глава 3. Динамика привода при соизмеримых частотах вращения шлифовального круга и стола 49
3.1. Характеристики рабочего сопротивления 49
3.2. Характеристики электрических двигателей привода 60
3.3. Уравнения движения привода 64
3.4. Переходные процессы при линейном характере возмущения 73
3.5. Переходные процессы при нелинейном характере возмущений 94
Глава 4. Экспериментальные исследования 107
4.1. Введение 107
4.2. Стенд экспериментальных исследований 108
4.3. Анализ результатов экспериментальяш: исследований влияния эЦекта верчения зерен 108
4.4. Экспериментальная проверка переходных процессов ИЗ
Заключение и выводы 115
Использованная литература 118
Приложение 126
- Работы по исследованию машин со сложным движением исполнительных органов
- Неравномерность скорости микрорезания
- Характеристики электрических двигателей привода
- Анализ результатов экспериментальяш: исследований влияния эЦекта верчения зерен
Введение к работе
Обеспечение дальнейшего социального прогресса нашего общества , осуществление широкой программы повышения народного благо-состояния, предусмотренные в решениях ХХУТ съезда КПСС; июньского и декабрьского (1983 года) Пленумов ЦК КПСС,? требуют реализации глубоких качественных сдвигов в материально-технической базе на основе ускорения научно-технического прогресса, интенсификации общественного производства7, повышения его эффективности.
Вопрос важности интенсификации производства и обеспечения дальнейшего ускорения научно-технического прогресса был особо подчеркнут в выступлении Генерального секретаря ЦК КПСС К,У»«- Чер ненко на февральском (1984 г.) пленуме ЦК КПСС; Значительное увеличение масштабов создания, освоения и внедрения в производство новой высокоэффективной техники обеспечивает ро.ст производительности труда, снижение материалоемкости, улучшение качества выпускаемой продукции, повышение ее конкурентоспособности на внешнем рынке.;
Техническое перевооружение народного хозяйства, его интенсификация ставят исключительно серьезные задачи перед машиностроением я, в первую очередь , перед станкостроением.
Система мероприятий по снижению удельной металлоемкости машин и существенному сокращению отходов и потерь металлопродукции за счет использования проката высокой точности, замены технологи -ческих процессов, основанных на лезвийном резании металла экономичными методами формообразования деталей - выдвигают шлифование в число наиболее перспективных финишных обработок.
Таким образом расширение применения обработки деталей машин шлифованием обуславливается за последние годы главным образом снижением припусков на механическую обработку в связи с совершен,- - 5 ствованием заготовительных операций (ковки, штамповки, точного литья, порошковой металлургии), вследствие которых размеры заготовки максимально приближаются к размерам готовых деталей. Отечественной машиностроительной промышленностью созданы станки скоростного и силового шлифования, обеспечивающие повышение производительности, размерной точности и снижающие параметры шероховатости. На автоматических линиях отечественного производства последних лет обработка деталей шлифованием составляет 1% от общего количества технологических операций.
.Актуальность проблемы. Неуклонно возрастающий объем торце-шлифования заставляет решать острую проблему оптимизации этого процесса. Отечественные и зарубежные исследования в этой области в преобладающем большинстве ведутся по линии совершенствования технологических параметров.
Между тем за последние годы обращено внимание на серьезные возможности повышения производительности шлифования путем совершенствования привода станка, связанного с повышением скорости движения обрабатываемой поверхности.
Раскрытие внутреннего механизма этого явления (совершенно недостаточно отображенного в современной специальной литературе) является комплексной научно-технической проблемой.
Почти не изучены эти вопросы в процессе торцешлифования при круговой подаче деталей. В связи с этим исследования кинематики и динамики привода станков плоского торцевого шлифования при повышенной угловой скорости стола несомненно являются актуальной задачей, обеспечивающей повышение производительности и управление качеством обрабатываемых поверхностей.
Цель работы. Целью диссертационной работы является теоретическое и экспериментальное исследование привода станков плоского торцевого шлифования в высокопроизводительном режиме, обеспечиваемом повышением угловой скорости стола. В работе раскрываются новые закономерности, связанные с колебанием скоростей микрорезания и изменением ориентации абразивных (алмазных) зерен по отношению к троектории микрорезания, имеющие место при соизмеримых частотах вращения шлифовального круга и стола. Полученное математическое описание внутреннего механизма происходящих при этом физико-механических явлений раскрывает причины повышения производительности процесса микрорезания, выполняемого каждым абразивным зерном. Исследуется влияние силовых и кинематических возмущений на динамику привода.
Методы исследования. Теоретическое исследование происходящих в трансмиссии кинетостатических и динамических процессов выполнены современными методами математического анализа и теории приводов машинных агрегатов. Адекватность полученных закономерностей -их математических описаний с реальными процессами, происходящими в исследуемой системе, проверялась путем сравнения результатов математического моделирования линейных и нелинейных колебательных процессов с применением численных методов, реализуемых на ЭЦВМ с результатами стендовых испытаний. Аналитические выкладки даются относительно безразмерных кинематических и конструктивных параметров, что позволяет в стадии расчета перебрать полное множество схем (в поисках оптимального варианта).
Работа выполнена по плану научно-исследовательоких работ Института механики машин Академии наук Грузинской ССР. Стендовые испытания проводились в цехе коробок скоростей производственного объединения - Кутаисский автомобильный завод.
Машинные эксперименты на ЭЦВМ выполнены в Институте вычисли .-7 тельной математики АН Грузинской ССР и отделе математического моделирования Института механики машин Академии наук Грузинской ССР.
Новые научные результаты и основные положения, выносимые на защиту.
- исследована кинематика и динамика привода станков плоского торцового шлифования на высокопроизводительных режимах соизмеримых частот вращения шлифовального круга и стола;
- установлена закономерность неравномерности скорости микрорезания, как функция кинематических и конструктивных параметров станка,
- выявлен эффект верчения алмазных зерен и получено его математическое описание, позволяющее заложить это явление в процесс проектирования станка;
- рассмотрена динамика привода в высокопроизводительном режиме шлифования в линейной и нелинейной постановке и исследованы особенности рабочих режимов станка в области реальных параметров последних;
- разработана методика расчета и проектирования привода станков высокопроизводительного торцового шлифования при соизмеримых угловых скоростях шлифовального круга и стола по исходным безразмерным параметрам, содержащим необходимую и достаточную полноту информации о кияетостатических, динамических и конструктивных свойствах системы.
Практическая ценность. Теоретические и экспериментальные исследования позволили раскрыть специфичные свойства привода станков плоского торцевого шлифования при увеличении угловой скорости вращения стола, позволяющие значительно повысить производительность.
Выделение кинематических и конструктивных безразмерных параметров в полученных расчетных уравнениях позволяет разработать аналитическую модель для различных схем и начальных условий.
Проведенные расчеты по предлагаемой методике позволили реконструировать плоскошлифовальные станки модели ЗД756 в цехе коробки скоростей Кутаисского автомобильного завода имени Г.К.Орджоникидзе. Производительность возросла на 150 %. Эксперименты по определению кинематических и динамических свойств привода дали вполне удовлетворительную сходимость с теоретическими расчетами. Заводские испытания подтвердили реальность раскрытых в диссертации особенностей привода и способа активизации режущих свойств абразивных зерен, повышения их производительности,проявляющихся при соизмеримых угловых скоростях шлифовального круга и стола.
Полученные результаты и предлагаемая методика полностью используются в расчетах и проектировании приводов специальных, высокопроизводительных шлифавальных станков.
Реализация результатов работы в промышленности. На основании выполненного исследования и полученных практических рекомендаций только по одному цеху Кутаисского автомобильного завода внедрение полученных результатов обеспечило годовую экономию в сумме 27,3 тыс.рублей, что подтверждено соответствующим.актом (см.приложения).
Апробация работы. Основные научные результаты диссертационной работы докладывались на:
- Всесоюзном семинаре "Научно-техническое содружество молодых ученых, специалистов и рабочих на решение основных задач технического прогресса и повышение эффективности производства". Львов, сентябрь - 1979 г.;
- Всесоюзной конференции по вибрационной технике. Кутаиси, ноябрь - 1981 г.;
- XXI научно-технической конференции профессорско-преподавательского состава ВТУЗ-ов Закавказья. Ереван, октябрь - 1982 г.;;
- УІ Всемирном конгрессе международной федерации по теории машин и механизмов. Дели-Индия, декабрь - 1983 г.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано шесть научных трудов.
Работы по исследованию машин со сложным движением исполнительных органов
В различных отраслях машиностроения используются машины, в которых исполнительные органы выполняют по отношению к обрабатываемому объекту сложное движение (сумму двух вращательных движений) . К категории таких машин относятся: шлифовальные станки с круговой подачей деталей, горно-проходческие щиты с планетарно-режущими фрезами /"27, 33_/, канатовязальные автоматы, некоторые бытовые приборы, например миксеры и т.п. Привод к указанным машинам выполняется в двух вариантах : - оба движения подаются на исполнительный орган, обрабатываемый объект неподвижен (планетарный внутришлифовальннй станок МВ6020 fblj, проходческие щиты планетарного резания грунта - вращательные движения подаются раздельно (на шлифовальный круг и стол плоскошлифовального станка модели ЗД756 35, 36, 37, 38, 39, 407 ). Кинематика и динамика первого варианта привода тщательно изучены /"27, 33.7» чего нельзя сказать в отношении второго варианта по той простой причине, что в традиционных режимах торце-шлифования в таком исследовании не было нужды. В исследованиях первого варианта привода рассматривался процесс лезвийного резания грунта, когда ограниченное количество резцов расставлялись на равных интервалах по периферийной окружности фрезы ( R const. ). Переносное движение фрезам сообщалось водилом постоянной длины (Н= const. , т.о. Н= const.). Изменение ориентации резцов по отношению к траектории движения -являлось отрицательным свойством привода.
Совершенно иную картину имеем во втором варианте привода торцешлифовального станка в режиме соизмеримых угловых окоростей шлифовального круга и стола, когда проявляются качественно новые свойства, требующие изучения и оценки. На операциях торцешлифования в нашей стране ежегодно расходуется около 200 тысяч штук шлифовальных кругов диаметром от 300 до 900 мм при общем съеме металла до 60 тысяч тонн; на пятидесяти моделях торцешлифовальных станков и автоматов отечественного и зарубежного производства обрабатываются сотни миллионов деталей в год 68_7# В исследованиях процеоса плоского торцового шлифования / 21, -59, 61, 68, 70, 73] отмечаются принципиальные отличия этого процесса от шлифования периферией круга; о - большая площадь контакта круга с деталью ( до 10000 мм ); - большая глубина шлифования; слой металла, снимаемый в один проход равен 0,5 мм и более; - большая длина дуги контакта режущего элемента шлифовального круга (абразивного зерна) с деталью, т.е. большая длина стружки, снимаемой зерном; - длительный (от 0,5 до 10 с ) контакт шлифуемой детали с кругом; - непостоянство скорости резания, изменяемой при движении детали от периферии к центру круга; - дискретность подачи деталей, меняющая площадь контакта деталей с шлифовальным кругом. Актуальность задачи оптимизации процесса плоского торцового шлифования возрастает, как уже отмечалось, в связи со всё возрастающим внедрением прогрессивных методов получения точных заготовок, которые, минуя традиционную обработку лезвийным инструментом, поступают непосредственно на операцию шлифования. Как известно [ 68J7 решение задачи оптимизации процесса плоского торцового шлифования увязывается с варьированием как технологических, так и конструктивных параметров станка.
При этом к числу технологических параметров относятся: способ получения заготовки, структура изделия, режимы обработки, состав СОЖ, режимы правки круга. К числу конструктивных параметров относятся: кинематические и геометрические параметры привода. Установлено /"52_7 что варьирование характеристик материала заготовки, инструмента и СОЖ дает возможность повышения ка К основным требованиям, предъявляемым силовым трансмиссиям относятся: высокая энергоемкость, малые габариты и плавность регулирования скорости. Наибольшее распространение в приводах получили зубчатые передачи в силу надежности и высокого КПД. Поэтому /69 У мировой выпуск зубчатых колес измеряется миллионами штук в день. При этом, требовании снижения материалоемкости наиболее полно отвечают планетарные схемы зубчатых передач, позволяющие разветвлять энергетические потоки. Такие многопоточные схемы зубчатых передач оказались удобны и в смысле плавного варьирования скорости, (когда в одном из ветвей силовых потоков размещают автоматический вариатор - механической, пневматической, гидравлической или электрической природы
Неравномерность скорости микрорезания
Если мгновенный центр вращения М подвижной центроиды выходит за пределы шлифовального круга влево, на другую сторону стола-; то Ґ Ґ0 и подвижная центроида своей вогнутой стороной будет обкатыватся по выпуклой стороне неподвижной циклоиды (рис 2ії5-б) Траектории микрорезания при этом будут представлять перициклоиды fllj; которые , как известно, в конечном счете оказываются некоторыми эпициклоидами, . В.случае траектории в виде удлиненных эпи- и гипоциклоид (рис 2 i2 и 2-; ) вынос точки М за пределы площади контакта обеспечивается за счет использования чашечных шлифовальных кругов ( соблюдением условия R , Ґ ) V На рис .2 :бг. представлена эпюра скоростей микрорезания для случая, когда траектории зерен представляют нормальные гипоциклоиды- Эта схема по-видимому непригодна, поскольку зерна на пе? риферии шлифовального круга неизбежно будут иметь 200 -ую неравно-, мерность скорости (поскольку V0 пік. @ ) Этот вариант имеет частный случай, когда ЭД = і fy При этом нормальные гипоциклоиды вырождаются в пучёк прямых с узлом в точке О . Следовательно4 этот чавтный случай не пригоден не только по неравномерности скорости микрорезания, но и по характеру (рисунку) наносимой сетки; влияющему на качество обрабатываемой поверхности Построенные выше эпюры дают возможность судить о неравномерности скоростей микрорезания для зерен;- размещенных вдоль диаметра шлифоального круга1, совмещенного с радиусом стола-; Для получения полной кинематической картины необходимо вы » полнить аналитические исследования. Компоненты мгновенных скоростей микрорезания находятся дифференцированием системы (2.3.) и равны: Выражение скорости микрорезания
Произведя подстановки и выполнив соответствующие преобразования, получим Следовательно, скорость микрорезания достигнет максимума при или, что то же самое, при где Таким образом Во всех случаях мгновенным центром вращения Ml соответствует равенство Коэффициент неравномерности скорости микрорезания имеется в виде где Уравнение (2.7.) дает положительные значения Vo , О лишь при условии Ъ{Ц- і . В случае Ъи і уравнение (2.7.) следует писать в виде Что касается уравнения (2.6.), то оно справедливо при любых значениях Х?1/. Таким образом для случая 3f U і будем иметь: и 8) При f С/ 1 будем иметь : Выполним аналогичные расчеты для планетарного аналога привода. На рис. 2.7. шлифовальный круг с радиусом R всей площадью накрывает стол круговой подачи. В заданный момент эксцентричность: расположения шлифовального круга и стола равна // (шлифовальный станок обеспечивает подачу как в осевом направлении - перпендикулярно к чертежу, так и в радиальном - в сторону изменения величины Н ) Рассматривается случай U О , когда величина Сд . и СО соизмеримы.
В точке Р , в которой совмещаются периферийные окружности, линейная скорость круга равна вектору РА , а стола - Р8 . Прямая /"/ представляет эпюру окружных скоростей круга, а прямая //-.? -эпюру окружных скоростей стола. Пересечению этих прямых соответствует точка М , в которой скорость М С одинакова для круга и стола, т.а. относительная скорость (скорость микрорезания) здесь равна нулю. Краевые значения скорости микрорезания Vo равны: в точке Р - -АВ , в точке L - -A\Bt По этим значениям скоростей на диаметре О Р построена эпюра скоростей микрорезания (прямая /// - //7 ). При этом L6, AlBl , Р - по, Прямая проходит через точку М , как через
Характеристики электрических двигателей привода
Описывая характеристики асинхронных двигателей станка; в отличие от двигателей постоянного тока /"23 J , можно пренебречь электромагнитными переходными процессами в контурах роторов и цепях возбуждения воспользоваться статической характеристикой . Для установления статической характеристики.воспользуемся известной методикой /"ЗО,1 33", 55У v На рис 3.3; представлена механическая характеристика асинхронных электродвигателей. Рабочий участок кривой ртмечен точкой холостого хода (с синхронной УГЛОВОЙ СКОРОСТЬЮ СОсх. и Нулевым МОМеНТОМ Тек =-0 ), точкой номинального нагружения (cVH ; THJ и точкой опрокидывания (оОопр "Те пр) Этот участок заменим прямой, сохраняя места первых двух точек и стало быть несколько сдвигая вправо точку опрокидывания. В качестве второй граничной точки линеаризованной характеристики берется точка максимального нагружения двигателя ҐТ АА CO„;h) » причем для большей надежности берется 7 ,х= 0,8 Топр .
При такой линеаризации, очевидно, грубо искажается величина пускового момента Т0 и последующая кривизна до установления вершины. Подобная характеристика электродвигателя непригодна для исследования старт-стопных режимов. Между тем для рассмотрения динамики электромеханических систем, запускаемых предварительно в холостую, такая линеаризация вполне корректна /"16, 17J. Начало и конец рабочего процесса, а также все промежуточные переходные режимы в исследуемом приводе станка протекают в пределах, когда угловые частоты двигателей (со9 J находятся в интервале COm;h СО СО . Следовательно, принятая линеаризация механической характеристики (показана пунктиром) электрических двигателей в заданном участке вполне реальна.
Согласно рис. 3.3. можно записать Для составления уравнения движения рассматривается привод плоскошлиіовального станка модели ЗД756 Воронежского станкостроительного завода имени 50-летия Ленинского комсомола, который был предоставлен автору для проведения натурных испытаний на Кутаисском Ордена Трудового Красного Знамени автомобильном заводе имени Г.К.Орджоникидзе (см. приложение - 2), Упрощенная схема привода представлена на рис. 3.4. Уравнение движения рассматриваемой системы составляется в скорме уравнений Лагранжа 2-го рода /25, 50, 55, 58 /. В качестве обобщенных координат назначаем углы поворота -Ц и - шлифовального круга и (р - стола. Тогда система уравнений где Т , 7 с обобщенные силы, в данном примере - приведенные моменты. Коробка перемены передач (КПП) в приводе стола представляет шестискоростяую коробку скоростей (рис.3.5), обеспечивающую дискретно изменяемое передаточное отношение Up (редуцирования крутящего момента стола). Граничные значения параметра U-& ./COc , обеспечиваемые КПП привода стола: /«,-= 184,027 и Ц . =32,66.
Анализ результатов экспериментальяш: исследований влияния эЦекта верчения зерен
В качестве шлифуемых деталей брались диски ручного тормоза -шестицилиндрового карбюраторного двигателя KA3-I20 с наружным диаметром 350 мм и диаметром внутреннего отверстия 150 мм, которые представляли реальную продукцию цеха1. Расстановка четырех шлифуемых дисков на магнитном столе станка выполнялась согласно рис.&} Диски выступали за габариты стола на 25 мм; что при заданном положении шлифовального круга не выЗывала никаких сом-нений в смысле стабильности их фиксации1. Станок был настроен по двум значениям данного расположения деталей на столе (рис.4;;И) соответствует, реализуемым граничным значениям Н ; равным 240 мм и 325 мм Подача осуществлялась только вертикальная: : Испытания проводились в цехе коробок скоростей по КАЗ. С помощью сменных шкивов в первой ступени привода стола испытания проводились в четырех режимах: ft с - 60% 90.; 120 и 150 об/мин.;, что соответствует значениям Ц = 16у 33; 10, 88 ; 8 ; 16 и 6,53 у Сравнения проводились по показателям производительности станкау точности размеров обрабатываемой детали и износа шлифовального круга.
Эксперименты на режимах с Ц = 8,16 и 6Г,53 не увенчались успехом; поскольку резко возросла виброактивность станка в целому Возросли требования к жесткости и демпфирующим свойствам всей несущей системы станка. При этом качественная оценка обрабатывав емых поверхшостей каждый раз показывала макрометрические отклонения формы, за пределы поля допуска. Следовательно, для реали-, зации этих режимов требуются специальные станки повышенной жесткости. Полученные в диссертации результаты были с достаточной полнотой подтверждены в процессе многократных экспериментов на ре-жиамх с U = 16 33 и U = Ю,88у Для сравнительных анализов испытания проводились и для паспортного режима станка с U = = 32,66. Окончание процесса снятия припуска каждый раз устанавливалось по показаниям прибора станка - "указатель нагрузки двигателя шлифовального круга". Ниже приводятся усредненные результаты измерений, полученные в результате многочисленных экспериментов (в пересчете на 0,1 мм снятого припуска): Для сравнительного анализа роста производительности следует, по-видимому, сопоставлять результаты экспериментов с разными значениями U при одинаковых . В этом смысле по приведенной таблице будем иметь четыре случая сравнений результатов: столбцов 1-3, 1-5, 2-4и2-6. Для сравнений воспользуемся понятием удбльной производительности Q , представляющей собой величину снимаемого припуска (в мм) за одну секунду.
Тогда для первого случая будем иметь: Стойкость шлифовального круга оценивалась за весь период службы, начиная с момента правки до его полного затупления, которое проявлялось возникновением вибрации (шума) и появлением огранности или прижогов шлифуемой поверхности /"26, 64, 74У. Помимо этого, в течение длительного периода замерялся износ шлифовального круга через равное количество изготовленных деталей. Сравнительный анализ показал, что в исследуемых режимах вместе с ростом производительности станка возрастает и стойкость, что явно подтверждает найденные в работе новые закономерности. Многочисленные эксперименты показали, что наибольшему возрастанию производительности (168 %) соответствовали наибольшее возрастание стойкости круга (12 15) % и минимальные значения безразмерных параметров U и ZC (что совпадает с наибольшими значениями угла верчения Р ). Таким образом, в этой части экспериментальных исследований полностью подтвердилось влияние эффекта верчения зерен на производительность процесса шлифования и стойкость круга. Подтвердилось и математическое описание этого явления, которое представляет возможность управления режущими свойствами шлифовального круга путем изменения безразмерных параметров U и dt .
Испытания показали принципиальную возможность создания высокоэффективных шлифовальных станков плоского торцового шлифования путем оптимизации его привода. Полученные закономерности найдут использование, как в выборе рациональных режимов работы и реконструкции существующих, так и в процессе создания новых специальных станков (см.приложение). Эксперимент подтвердил, что увеличение скорости стола - один из реальных путей оптимизации процесса плоского торцевого шлифования и полученные здесь новые результаты предопределяют перспективность использования этого метода шлифования в машиностроении.
