НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“Київський політехнічний інститут”

ДЕМ’ЯНЕНКО СЕРГІЙ КАС’ЯНОВИЧ

УДК 621.941.08:620.178

РОЗРОБКА МЕТОДОЛОГІЇ КОНСТРУЮВАННЯ ГІДРОСТАТИЧНО-ГІДРОДИНАМІЧНИХ ШПИНДЕЛЬНИХ ОПОР МЕТАЛОРІЗАЛЬНИХ ВЕРСТАТІВ З ПІДВИЩЕННИМИ ПОКАЗНИКАМИ ЖОРСТКОСТІ

Спеціальність 05.03.01

"Процеси механічної обробки,

верстати та інструменти"

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ - 2002

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" на кафедрі "Конструювання верстатів та машин" та кафедрі загальноінженерних дисциплін Ізмаїльського державного гуманітарного університету

Науковий керівник: | доктор технічних наук, професор,

Струтинский Василь Борисович,

Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", завідувач кафедри "Конструювання верстатів та машин"

Офіційні опоненти:

доктор технічних наук, доцент, Ковальов Віктор Дмитрович, Донбаська державна машинобудівна академія, завідувач кафедри "Металорізальні верстати та інструменти", Міністерство освіти і науки України (м. Краматорськ).

кандидат технічних наук, доцент, Кушик Валерій Григорович, Тернопільський державний технічний університет, доцент кафедри "Верстатно-інструментальні системи автоматизованого виробництва", Міністерство освіти і науки України (м. Тернопіль)

Провідна установа:

Одеський державний політехнічний університет, кафедра "Металорізальні верстати, метрологія і сертифікація", Міністерство освіти та науки України (м. Одеса).

Захист відбудеться 16 грудня 2002 р. о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.002.11 при Національному технічному університеті України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37, навчальний корпус № 1, ауд. 214.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Національного технічного університету України "Київський політехнічний інститут" за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37.

Автореферат розісланий 15 листопада 2002 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради, доктор технічних наук |

Майборода В.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Гідростатичні і гідродинамічні підшипники широко застосовуються в металорізальних верстатах. В основному такі опори використовуються в прецизійних верстатах шліфувальної групи. Окремі застосування гідростатичних шпиндельних опор верстатів токарної групи підтвердили їх високу ефективність і апробовані часом. Конструкції гідростатичних і гідродинамічних опор є традиційними. Для своєї реалізації підшипники металорізальних верстатів потребують високої точності виготовлення основних вузлів, дотримання необхідних показників якості виробництва деталей підшипників та застосування спеціальних антифрикційних матеріалів (бронз).

В сучасних умовах верстатобудування України потребує нових підходів до проектування і виробництва основних вузлів верстатів, обґрунтування прогресивних конструктивних рішень. Це в повній мірі відноситься до проектування гідростатичних і гідродинамічних шпиндельних опор верстатів. Ці рішення базуються на підвищенні загальної культури виробництва верстатобудівних підприємств, зрослими можливостями у відношенні точності виготовлення деталей і необхідності враховувати підвищення вартості кольорових металів (зокрема бронз). Тому наукові розробки направлені на теоретичне і експериментальне обґрунтування прогресивних конструктивних рішень гідростатичних і гідродинамічних шпиндельних опор верстатів є актуальними.

В результаті розроблено високоточні опори шпинделя без високовартісних кольорових металів. Це дає змогу підвищити точність металорізальних верстатів при одночасному зниженні собівартості виробництва. Буде досягнуто суттєве підвищення конкурентоспроможності продукції вітчизняного верстатобудування, зменшення його залежності від поставок дорогих і недостатньо ефективних підшипникових вузлів з тілами кочення. Крім підвищення точності металообробного обладнання впровадження прогресивних гідростатичних і гідродинамічних шпиндельних опор дозволить суттєво підвищити показники динамічної якості верстатів, знизить інтенсивність шуму і вібрацій, що мають місце в процесі роботи верстатів.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Виконані дослідження тісно пов’язані з науковими розробками, що ведуться на кафедрі конструювання верстатів та машин в рамках наукових шкіл в галузі динаміки металорізальних верстатів та гідроприводів верстатів. Дослідження виконані безпосередньо при розробці теми: ”Розробка наукових основ статистичної динаміки та методів математичного моделювання стохастичних динамічних процесів металорізальних верстатів“ (код КВНТД 1.2.11.03.01 № держ. реєстрації 0101U002282).

Мета і задачі дослідження.

Метою роботи є розробка методології яка полягає в обґрунтуванні прогресивних конструктивних рішень гідростатично-гідродинамічних шпиндельних опор металорізальних верстатів на основі сформульованих теоретичних положень розрахунку статичних та динамічних характеристик підшипників, врахування особливостей конструкторського і технологічного забезпечення розробки та дослідної апробації запропонованих конструктивних рішень шпиндельних опор з підвищенними показниками жорсткості. Для досягнення поставленої мети сформульовані і вирішені наступні задачі досліджень:

1. Аналіз наявних матеріалів, існуючих конструктивних рішень гідростатичних і гідродинамічних шпиндельних опор, результатів їх досліджень, існуючих методик розрахунку та формулювання основних напрямків досліджень по розробці гідростатично-гідродинамічних опор шпинделя.

2. Обґрунтування і розробка схемних рішень гідростатично-гідродинамічних шпиндельних опор підвищеної жорсткості, які забезпечують сприйняття моментних навантажень в радіальних площинах осі обертання шпинделя.

3. Створення розрахункового комплексу для визначення основних характеристик гідростатичних підшипників, який враховує випадкові зміни мікро- і макрогеометрії прецизійного спряження деталей у підшипнику і базується на застосування сучасних програмних продуктів.

4. Розробка практично орієнтованої методології розрахунку гідростатично-гідродинамічних підшипників, які включають пружно деформовані вставки, поміщені в кармани підшипника, робочі поверхні яких разом із циліндричною поверхнею шийки шпинделя утворюють несучі гідродинамічні клини.

5. Порівняльний аналіз показників статичної жорсткості шпиндельного вузла токарного верстата, оснащеного розробленим гідростатично-гідродинамічним підшипником із показниками статичної жорсткості верстата КА280, оснащеного підшипниками кочення, та з показниками статичної жорсткості верстата 16К20В виробництва московського заводу ”Красный пролетарий“, який оснащений традиційними гідростатичними опорами.

6. Порівняльний аналіз точності обробки спеціальних однотипних заготовок на верстатах КА280 і 16К20В з показниками точності верстата, оснащеного гідростатично-гідродинамічним підшипником.

7. Визначення показників динамічної якості верстата, оснащеного гідростатично-гідродинамічним підшипником, шляхом знаходження характерних параметрів частотних характеристик шпиндельного вузла за результатами спектрального аналізу форми заготовки та форми обробленої поверхні.

8. Конструктивна реалізація теоретичних положень, покладених в основу розробки гідростатично-гідродинамічної шпиндельної опори металорізального верстата, розробка і виготовлення дослідного зразка передньої опори шпинделя токарного верстата, взаємозамінної із традиційною опорою на підшипниках кочення.

9. Теоретичне обґрунтування та експериментальна перевірка формування спеціального рельєфу робочих поверхонь вставок гідродинамічних підшипників.

Об’єкт і методи досліджень.

Об’єктом досліджень є гідростатично-гідродинамічні опори шпиндельних вузлів металорізальних верстатів і вся сукупність факторів, що впливають на статичні і динамічні характеристики шпиндельного вузла з такими опорами та взаємозв’язок цих факторів із загальними показниками точності верстата.

Предметом досліджень є наукове обґрунтування вибору основних параметрів гідростатично-гідродинамічних шпиндельних опор верстата, які забезпечують суттєве підвищення точності обробки в порівнянні із верстатом, оснащеним традиційним гідростатичним підшипником.

Наукова новизна одержаних результатів.

Розроблено розрахунковий комплекс для визначення основних характеристик гідростатичного підшипника верстата. Який враховує випадкові зміни мікро- і макрогеометрії форми поверхні підшипника. Форма поверхні визначена як сукупність гармонік розкладу в ряд Фур’є просторової циліндричної поверхні підшипника, яка взаємодіє через шар мастила (оливи) із циліндричною поверхнею шийки шпинделя верстата. Розрахунковий комплекс базується на застосуванні сучасних програмних продуктів і дозволяє здійснити математичне моделювання впливу різноманітних факторів на характеристики жорсткості підшипника.

Розроблена принципово нова методологія розрахунку гідродинамічних підшипників зокрема підшипників, які мають пружно деформовані вставки, що разом із циліндричною поверхнею шийки шпинделя утворюють несучі гідродинамічні клини.

Методологія базується на розрахунку двох крайніх варіантів опису форми вставки – одного у формі ламаної лінії, а іншого у вигляді плавної кривої. Реальна форма поверхні вставки є проміжною між двома варіантами, а її характеристики інтерполюють характеристики двох крайніх варіантів гідродинамічного підшипника.

Теоретично обґрунтовано і перевірено експериментально можливість одержання спеціальної форми робочої поверхні вставки підшипника шляхом обробки заготовки вставки на верстаті, оснащеному пружною борштангою. Встановлено особливості формування рельєфу робочої поверхні вставки, який забезпечує ефективні умови її роботи в складі конструкції гідростатично-гідродинамічного підшипника.

Встановлено закономірності гістерезисних явищ в опорному вузлі шпинделя з підшипниками кочення, показано, що розроблений гідростатично-гідродинамічний підшипник не має гістерезисних властивостей, що є його суттєвою перевагою над традиційними опорами. Знайдені статистичні характеристики розсіяння значень жорсткісних параметрів шпинделя, оснащеного гідростатично-гідродинамічним підшипником.

Розроблена принципово нова методологія визначення показників динамічної якості шпиндельних вузлів верстатів, яка базується на спектральному аналізі форми заготовки та форми обробленої поверхні. По результатам порівняння спектрів знаходиться набір частотних характеристик. Які дають вичерпну інформацію про показники динамічної якості.

Розроблена методологія апробована при порівняльному аналізі розробленого шпиндельного вузла із гідростатично-гідродинамічним підшипником та шпинделя з опорами, що включають тіла кочення.

Практичне значення одержаних результатів.

Розроблені методичні рекомендації по вибору параметрів конструкції гідростатично-гідродинамічних опор металорізальних верстатів. Запропоновані методики розрахунків характеристик підшипників, які є більш точними ніж наявні в літературних джерелах. Створена і апробована методологія конструювання шпиндельних опор із гідростатично-гідродинамічними підшипниками. Ці опори забезпечують підвищені показники жорсткості та динамічної якості верстатів. Їх використання суттєво підвищує точність обробки деталей.

Особистий внесок здобувача. Основні результати досліджень одержані автором особисто.

Апробація результатів роботи. Основні положення дисертаційної роботи доповідалися і дістали позитивну оцінку на міжнародних науково-технічних конференціях, зокрема на: ІІ міжнародній конференції ”Прогресивна техніка і технологія 2001“ (Київ-Севастополь, 28 червня – 2 липня 2001 р.); науково-технічній конференції студентів і молодих учених ”Машинобудівник 2001“ (Київ, 25 – 27 квітня 2001 р.); IV міжнародній науково-технічній конференції "Вібрації в техніці та технологіях" (Вінниця 1-5 жовтня 2002 р.). Робота розглядалась та одержала позитивну оцінку на технічній раді верстатобудівного заводу ВАТ фірма “Беверс” (м. Бердичів); технічній раді СКБ багатошпиндельних автоматів (м.Київ); науково-технічному семінарі кафедри ”Конструювання верстатів і машин“ НТУУ "КПІ".

Публікації. За матеріалами дисертації опубліковано 5 статей, 3 тези доповідей.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п’яти розділів, висновків, списку використаних літературних джерел, додатків. Робота містить 120 сторінок тексту, в тому числі, 72 рисунка і 5 таблиць, список літератури включає 106 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

В першому розділі дано огляд стану проблеми, обґрунтовано напрямок, мету і задачі досліджень. Розробка методології конструювання гідростатично-гідродинамічних шпиндельних опор базується на використанні наявних результатів досліджень і методик розрахунку опор рідинного тертя. Ці результати викладені у фундаментальних працях широкого кола авторів, зокрема в роботах Г.І.Айзенштока, А.І.Білоусова, О.Ф.Бабіна, В.А.Воскресенського, В.В.Бушуєва, В.В.Гордєєва, О.Б.Приходько, Д.Н.Решетова, В.Д.Ковальова, П.А.Левіна, О.С.Пронікова, В.Е.Пуша, Ю.А.Сахно, А.В.Пуша, Ю.Н. Соколова, В.Б.Струтинського, Г.С.Скубачевського, М.А. Шимановича та їх учнів розглянуті різноманітні конструкції гідростатичних і гідродинамічних підшипників шпиндельних вузлів.

В результаті аналізу літературних джерел встановлено, що всі методики розрахунку базуються на припущенні про ідеальну циліндричну форму поверхонь втулки підшипника та шийок шпинделя. Тому деякі методики не можуть бути використані для підшипників, у яких змінюється взаємне кутове положення деталей. Встановлено, що робочі процеси, які супроводжують рух рідини в зазорах, вивчені достатньо детально. В даний час наявна широка гама верстатів, в яких використовуються гідростатичні опори шпиндельних вузлів. Однак всі наявні конструктивні рішення мають один суттєвий недолік. Він полягає у неможливості сприйняття підшипником поперечно-кутових моментних навантажень в радіальних відносно осі обертання шпинделя площинах. Тому основним напрямком досліджень вибрано наукове обґрунтування і розробка прогресивних конструктивних рішень опор, які сприймають не лише радіальні і осьові навантаження, а і моментні навантаження в радіальних площинах.

В другому розділі наведено обґрунтування вибору схемних рішень прогресивних конструкцій гідростатично-гідродинамічних опор шпиндельних вузлів верстатів та сформульовані основні положення методики теоретичних і експериментальних досліджень. Виконано порівняльний аналіз компоновок гідростатичних і гідродинамічних шпиндельних опор. Показано позитивні і негативні сторони конкретних конструкцій, які реалізують традиційні схеми підшипникових опор. Запропоновані конкретні схемні рішення опор які сприймають моментні навантаження. Одним із прогресивних конструктивних рішень є гідростатично-гідродинамічна опора шпинделя, в якій моментні навантаження сприймаються гідродинамічним підшипником, а радіальні і осьові навантаження сприймаються гідростатичним і гідродинамічним підшипниками (рис.1)

Розроблене схемне рішення відрізняється наявністю в карманах гідростатичних підшипників 1, 3 спеціальних вставок 4, 8, які утворюють гідродинамічний підшипник. При поперечно-кутових переміщеннях шпинделя в радіальній площині змінюється зазор між поверхнями вставок 5, 6 і шийкою шпинделя. В результаті виникає реактивний момент, який протидіє переміщенню шпинделя.

Для наукового обґрунтування схеми проведені дослідження по спеціальній методиці. Експериментальні дослідження виконані на трьох різних верстатах, зокрема на верстаті КА280 з підшипниками кочення, на верстаті 16К20В виробництва московського заводу ”Красный пролетарий“, причому цей верстат має традиційні гідростатичні підшипники, та на верстаті КА280, в якості передньої опори шпинделя якого використано дослідний зразок розробленого гідростатично-гідродинамічного підшипника.

Експериментальні дослідження включали виміри параметрів жорсткості шпиндельних вузлів вищеназваних верстатів та визначення показників точності обробки. Для порівняльного аналізу показників точності обробки використані спеціальні заготовки із прямокутними виступами на поверхні. Кожна заготовка оброблена послідовно на трьох різних верстатах. Виміряні круглограми оброблених поверхонь і здійснено їх спектральний аналіз. Порівняння спектрів дало можливість встановити загальні показники точності обробки та виявити вплив окремих факторів на формування загальних похибок обробки. Наведено аналіз похибок експериментальних вимірів із врахуванням наявності випадкових складових похибок. Показано, що похибки експериментальних вимірів не перевищують 5 %.

В третьому розділі наведено результати теоретичних досліджень гідростатично-гідродинамічної шпиндельної опори верстата. виконано аналіз розміру зазору між шийкою шпинделя і отвором підшипника. Розроблена математична модель для опису розміру зазору R, у вигляді лінійної комбінації тригонометричних рядів, що описують зазор з лівого і правого краю підшипника.

а коефіцієнти am, bm, R10, R20, m01, m02 визначені по експериментальним вимірам реальної форми поверхні отвору підшипника.

Результати обчислення розміру зазору наведені на рис.2.

Рис.2 Обчислені значення зазору в різних перерізах підшипника

Математична модель розміру зазору, використана для розрахунку витрати рідини по периметру кожного із карманів гідростатичного підшипника (рис.3).

Загальна витрата рідини по периметру і-го кармана знайдена шляхом інтегрування рівняння течії рідини в щілині із врахуванням змінності розміру зазору для тиску в кармані

Визначені силові характе-ристики радіального гідростатич-ного підшипника

.

Для цього знайдені сили тиску з боку кожного кармана на шийку шпинделя. Сили тиску залежать як від змін розміру зазору, так і від зміщення шийки шпинделя відносно отвору підшипника.

Шийка шпинделя зміщу-ється в отворі підшипника в положення, де має місце рівновага системи сил, що діє на шпиндель (рис.4)

Положення рівноваги знаходиться шляхом чисельно-го розв’язку системи рівнянь

де Py і Pz – проекції навантаження на шпиндель; P1, ..., P5 – сили тиску в кожному з п’яти карманів підшипника.

Графічна ілюстрація зна-ходження положення рівноваги шпинделя представлена на рис. 5.

Розв’язок системи рівнянь відповідає зміщення шпинделя, при якому Py і Pz (див. рис.5). Це положення визначає осі шпинделя при відсутності навантаження.

Дія навантаження приводить до зміщення шпинделя.

Розрахована залежність сили від зміщення шпинделя (рис.6а)

Характеристика жорсткості є нелінійною і залежить від напрямку переміщення.

Для опису характеристики жорсткості запропоновано поліноміальну математичну модель

В процесі досліджень визначено характеристики гідродинамічного підшип-ника (рис.6б)

Для визначення пара-метрів гідродинамічного під-шипника описана геометрія робочої поверхні вставки. Розглянуто два варіанти представлення робочої по-верхні: 1 – у вигляді плаского клина та 2 – у вигляді двох ексцентричних циліндрів (рис.7).

Для двох варіантів знайдено розподіл швидкостей у зазорі між вставкою і шийкою шпинделя та розподіл тиску по поверхні вставки.

Рис.7 Два варіантиаближення форми вставки гідродинамічного підшипника

Для першого варіанта залежність сили від відносного зміщення () шийки шпинделя має вигляд

де – кутова швидкість обертання шпинделя; – середній зазор.

Для другого варіанта (плоский клин) навантаження, яке сприймає вставка, знайдено у вигляді

де K, h2, l – параметри, які характеризують зазор між вставкою і шийкою шпинделя.

Значення сили, яка виникає в гідродина-мічному підшипнику, визначено як середньо-арифметичне по двох варіантах

Розрахована за цією формулою ха-рактеристика під-шипника є нелінійною (рис.8)

В четвертому розділі подані матеріали порів-няльного аналізу показників жорсткості шпиндельних вузлів із опорами різних типів.

Експериментально визначені нелінійні статичні характеристики жорсткості шпиндельних вузлів верста-та КА280, верстата 16К20В з традиційними гідростатични-ми підшипниками (крива 1 рис. а та рис. б) і верстата КА280, оснащеного розроб-леною гідростатично гідро-динамічною передньою опо-рою шпинделя (крива 2 рис. а та рис. в).

Встановлено, що верстат із розробленим гідростатично-гідродинаміч-ним підшипником має радіальну жорсткість майже в 2 рази вище ніж верстат із традиційним гідростатичним підшипником. При цьому суттєвим чином підвищується поперечно-кутова жорсткість шпинделя в радіальних площинах.

Це підтверджується зниженням параметра нециліндричності при обробці на верстатах. На рис. 10 представлені профілограми твірних циліндричних поверхонь, отриманих при точінні на верстаті з гідростатичним підшипником (рис. 10а) та верстаті із розробленою гідростатично-гідродинамічною опорою (рис. 10б).

а

б

Рис.10 Профілограми твірних циліндричних поверхонь

Проведені комплексні порівняльні дослідження показників точності обробки на різних верстатах. Порівняння точності здійснено методами спектрального аналізу круглограм оброблених поверхонь

Рис.11 Порівняння круглограм оброблених поверхонь і їх лінійчатих спектрів при обробці однієї і тієї ж заготовки із ступінчастим профілем на трьох різних верстатах: а – верстат КА280 з підшипниками кочення; б – верстат 16К20В з традиційними гідростатичними опорами; в – верстат з розробленою гідростатично-гідродинамічною опорою

Встановлено суттєве (в 1,5 рази) підвищення точності обробки при використанні гідростатично-гідродинамічної опори шпинделя.

Для визначення динамічних властивостей шпиндельного вузла із гідростатично-гідродинамічною опорою знайдені його частотні характеристики. При цьому використані методи спектрального аналізу. Здійснена обробка спеціальної заготовки і виміряна одержана форма обробленої поверхні (рис.12)

а б

відрізкам рядів Фур’є

Коефіцієнти рядів Фур’є подані у вигляді спектрів (рис.14).

По спектрам амплітуд і початкових фаз знайдені логарифмічна амплітудно - частотна і фазочастотна характеристики верстата.

Їх об’єднання дало можливість визначити амплітудно-фазову частотну характеристику (рис.15)

В п’ятому розділі описана розроблена конструкція гідростатично -гідродинамічної опори та особливості виготовлення її основних елементів. Опора шпинделя, взаємозамінна із підшипником кочення, реалізована у вигляді дослідного зразка (рис.16)

Опора включає корпус 3, фланець 4 та жорстко закріплену на шпинделі 1 втулку 8.

Виготовлення основних деталей опори здійснено за спеціальними технологіями. Це зокрема стосується накладок і вставок гідродинамічних підшипників.

Рис.16 Конструктивна схема розробленої гідростатично-гідродинамічної передньої опори шпинделя

Рис.18 Обробка внутрішньої поверхні заготовки для виготовлення вставок підшипника (а) та спеціальної борштанги (б) для здійснення обробки

При обробці заготовки виникають коливання різця, які приводять до формування спеціального рельєфу робочої поверхні вставки. Для визначення закономірностей формування поверхні вставки виконані теоретичні експериментальні дослідження процесу обробки поверхні вставки. Виведена система диференціальних рівнянь, яка описує коливання різця із врахуванням динаміки процесу різання та особливостей випадкового процесу зміни силових факторів.

де y – переміщення різця, яке формує профіль вставки; F(V) – нелінійна динамічна характеристика борштанги; Pд, P* – детермінована і випадкова складові сили різання; T, , Kc, Tp, Kp – постійні; a(t) – форма заготовки.

Система диференціальних рівнянь розв’язана чисельними методами в програмному середовищі MATLAB. Для цього розроблена структурна математична модель (рис.19).

Одержані в результаті математичного моделювання результати підтверджені дослідною перевіркою під час обробки вставок дослідного зразка підшипника. Виміряний рельєф робочої поверхні вставки має характерну хвилястість (рис.20).

Рис.20 Форма робочої поверхні вставок

На поверхні заготовки формуються опорні площадки шириною ”в“, які утворюють контактні зони вставок гідродинамічного підшипника.

ВИСНОВКИ

1. Доведено, що прогресивними конструктивними схемами шпиндельних опор є опори, що включають гідростатично-гідродинамічні підшипники. При цьому гідростатичні опори сприймають радіальні і осьові навантаження, а гідродинамічні опори служать в основному для сприйняття моментних навантажень, обумовлених деформацією шпинделя в радіальних відносно осі його обертання площинах.

2. Встановлено, що для дослідження шпиндельних вузлів верстатів необхідно використати спеціальну методику, яка базується на порівнянні показників жорсткості шпиндельних опор, точності обробки та динамічної якості трьох верстатів, які мають опори різних типів, а саме: підшипники кочення; гідростатичні підшипники та гідростатично-гідродинамічні підшипники. Для порівняння показників точності обробки деталей та динамічної якості верстатів найбільш доцільно використати методи спектрального аналізу із застосуванням лінійчатих спектрів амплітуд розкладу обробленої поверхні в ряд Фур’є.

3. Встановлено, що форму зазору між шийкою шпинделя і отвором гідростатичного підшипника доцільно описати функціональними рядами, складеними із гармонічних функцій. Коефіцієнти рядів підбираються таким чином, щоб описати зазори на лівому і правому краях підшипника. Перші гармоніки розкладу зазору в функціональні ряди враховують не лише похибки геометрії отвору, а і зміщення шийки шпинделя відносно отвору підшипника.

4. Положення, яке займає шпиндель в отворі підшипника визначається із умови рівноваги сил тиску і зовнішніх навантажень. Для ідеальної циліндричної шийки шпинделя це положення залежить лише від похибок геометрії отвору і є фіксованим. Воно визначається із умови рівноваги шпинделя під дією системи сил, обумовлених тиском рідини в карманах підшипника.

5. Наявність випадкових похибок геометрії отвору підшипника приводить до виникнення відмінності характеристик жорсткості підшипника при прикладенні навантаження в двох взаємно-перпендикулярних напрямках. Характеристики жорсткості в різних напрямках відрізняються на 5...10 % від середнього значення. Характеристика гідростатичного підшипника є нелінійною. При малих значеннях переміщення шийки шпинделя відрізок характеристики мало відрізняється від лінійного.

6. Гідродинамічний підшипник, утворений пружними вставками, поміщеними в кармани підшипника, суттєво поліпшує загальну характеристику жорсткості підшипника, виключає необхідність використання кольорових металів для виготовлення корпусу підшипника. Шпиндельний вузол верстата із гідростатично-гідродинамічним підшипником має статичну жорсткість 1,5 кН/мкм, що приблизно в 2 рази вище ніж жорсткість шпиндельного вузла верстата із гідростатичним підшипником.

7. Показники точності обробки верстата із гідростатичним підшипником по параметру некруглості в 3…4 рази перевищують показники точності верстата з підшипниками кочення. Гідростатично-гідродинамічні шпиндельні опори верстата забезпечують суттєве підвищення поперечно-кутової жорсткості шпинделя в радіальній площині. Це проявляється в підвищеній точності обробки деталей по параметру нециліндричності. Зокрема непрямолінійність твірної на довжині 25 мм досягає 3 мкм, що в 2…3 рази вище аналогічно параметра для гідростатичної шпиндельної опори.

8. Порівняння спектрів контурів поверхонь, оброблених на верстаті з підшипниками кочення, з гідростатичними підшипниками та з гідростатично-гідродинамічними підшипниками, показало суттєве зниження амплітуд складових гармонік поверхні, обробленої на верстаті із гідростатично-гідродинамічним підшипником.

9. Розроблена конструкція дослідного зразка гідростатично-гідродинамічного підшипника, взаємозамінна із наявною конструкцією передньої опори шпинделя верстата КА280 із підшипником кочення показала високу ефективність і може бути виготовлена в умовах верстатобудівного підприємства без застосування дорогих і дефіцитних кольорових металів.

10. Пружні вставки в карманах гідростатичного підшипника забезпечують відсутність контактів пар тертя ”сталь по сталі“ і, відповідно, відсутність зносу робочих поверхонь гідростатичного підшипника.

11. Теоретичне обґрунтування можливості виготовлення поверхні вставок гідродинамічного підшипника точінням з використанням пружної борштанги підтверджено дослідною апробацією у виробничих умовах. Це дає можливість сформувати спеціальний рельєф форми вставки, який підвищує несучу здатність підшипника.

СПИСОК ПРАЦЬ, ОПУБЛІКОВАНИХ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1.

2.

3.

4.

5.

6.

7.

8.

АНОТАЦІЯ

Дем’яненко С.К. Розробка методології конструювання гідростатично-гідродинамічних шпиндельних опор металорізальних верстатів з підвищенними показниками жорсткості. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.01. – Процеси механічної обробки, верстати та інструменти. Національний технічний універститет України "Київський політехнічний інститут", Київ 2002 рік.

Метою роботи є розробка методології яка полягає в обґрунтуванні прогресивних конструктивних рішень гідростатично-гідродинамічних шпиндельних опор металорізальних верстатів на основі сформульованих теоретичних положень розрахунку статичних та динамічних характеристик підшипників, врахування особливостей конструкторського і технологічного забезпечення розробки та дослідної апробації запропонованих конструктивних рішень шпиндельних опор з підвищенними показниками жорсткості.

Розроблено розрахунковий комплекс для визначення основних характеристик гідростатичного підшипника верстата. Який враховує випадкові зміни мікро- і макрогеометрії форми поверхні підшипника. Форма поверхні визначена як сукупність гармонік розкладу в ряд Фур’є просторової циліндричної поверхні підшипника, яка взаємодіє через шар мастила (оливи) із циліндричною поверхнею шийки шпинделя верстата.

Теоретично обґрунтовано і перевірено експериментально можливість одержання спеціальної форми робочої поверхні вставки підшипника шляхом обробки заготовки вставки на верстаті, оснащеному пружною борштангою. Встановлено особливості формування рельєфу робочої поверхні вставки, який забезпечує ефективні умови її роботи в складі конструкції гідростатично-гідродинамічного підшипника.

Ключові слова: опори шпинделя, гідростатичний підшипник, гідродинамічний підшипник,

АНОТАЦИЯ

Демъяненко С.К. Разработка методологии конструирования гидростатическо - гидродинамических шпиндельных опор металлорежущих станков с повышенными показателями жесткости. Рукопись.

Диссертация на соискание научной степени кандидата технических наук по специальности 05.03.01. - Процессы механической обработки, станки и инструменты. Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", Киев 2002 год.

Целью работы является разработка методологии которая состоит в обосновании прогрессивных конструктивных решений гидростатическо- гидродинамических шпиндельных опор металлорежущих станков на основании сформулированных теоретических положений расчета статических и динамических характеристик подшипников, учета особенностей конструкторского и технологического обеспечения разработки и опытной апробации предложенных конструктивных решений шпиндельных опор с повышенными показателями жесткости.

Разработан расчетный комплекс для определения основных характеристик гидростатический подшипника станка, который учитывает случайные изменения микро- и макрогеометрии формы поверхности подшипника.

Форма поверхности определена как совокупность гармоник расписания в ряд Фурье пространственной цилиндрической поверхности подшипника, которая взаимодействует через слой смазки с цилиндрической поверхностью шейки шпинделя станка.

Методология основана на расчете двух крайних вариантов описания формы вставки в форме ломаной линии и в виде плавной кривой. Реальная форма поверхности вставки является промежуточной между двумя вариантами, а ее характеристики интерполируют характеристики двух крайних вариантов гидродинамического подшипника.

Теоретически обоснована и проверена экспериментально возможность получения специальной формы рабочей поверхности вставки подшипника, за счет обработки заготовки вставки на станке, оснащенном упругой борштангой. Установлены особенности формирования рельефа рабочей поверхности вставки, который обеспечивает эффективные условия ее работы в составе конструкции гидростатическо- гидродинамического подшипника.

Установлены закономерности гистерезисных явлений в опорном узле шпинделя с подшипниками качения, показано, что разработанный гидростатически- гидродинамический подшипник не имеет гистерезисных свойств, являющийся его существенным преимуществом перед традиционными опорами. Полученные статистические характеристики рассеяния значений параметров жесткости шпинделя, оснащенного гидростатически- гидродинамическим подшипником.

Разработанная принципиально новая методология определения показателей динамичного качества шпиндельных узлов станков, которое базируется на спектральном анализе формы заготовки и формы обработанной поверхности. По результатам сравнения спектров определяется набор частотных характеристик. Они дают исчерпывающую информацию о показателях динамичного качества.

Гидродинамический подшипник, образованный упругими вставками, помещенными в карманы подшипника, существенно улучшает общую характеристику жесткости подшипника, исключает необходимость использования цветных металлов для изготовления корпуса подшипника. Шпиндельный узел станка с гидростатически-гидродинамическим подшипником имеет статическую жесткость 1,5 кН/мкм, что приблизительно в 2 раза выше, чем жесткость шпиндельного узла станка с гидростатическим подшипником.

Показатели точности обработки станка с гидростатическим подшипником по параметру некруглости в 3…4 раза превышают показатели точности станка с подшипниками качения. Гидростатически-гидродинамические опоры шпинделя станка обеспечивают существенное повышение поперечно-угловой жесткости шпинделя в радиальной плоскости.

Ключевые слова: опоры шпинделя, гидростатический подшипник, гидродинамический подшипник,

SUMMARY

Demianenko S.K. Elaboration methodology of constructing hydrostatic - hydrodynamic spindle's supports of metal-cutting machine-tools with raised inflexibility indexes. Manuscript.

The thesis for a technical sciences candidate's degree in specialty 05.03.01. - Processes of tooling, machine-tools and tools. National technical university of Ukraine "Kyiv polytechnic institute", Kyiv 2002 year.

By work aim is elaboration methodology which consists in basing of progressive constructive decisions hydrostatic - hydrodynamic of spindle's supports of metal-cutting machine-tools on foundation of formulated theoretical computation regulations of static and dynamic descriptions of bearings, peculiarities calculation of designer and technological guaranteeing of elaboration and experienced approbation of offered constructive decisions of spindle's supports with raised inflexibility indexes.

Is worked up a calculation complex for determination of basic descriptions hydrostatic of machine-tool bearing. What takes into account accidental changes micro- and bearing surface form macro geometry. A surface form definite as time-table accordions aggregate in row Furies of spatial cylindrical bearing surface, which interacts over smearing layer with cylindrical machine-tool spindle neck surface.

In theory grounded and proved experimentally receipt possibility of special form of working bearing insertion surface, for account of insertion purveyance processing on machine-tool, equipped resilient barbell. Are established the relief forming peculiarities of working insertion surface, which provides the effective conditions of her work in construction composition hydrostatic - hydrodynamic bearing.

Key words: spindle's supports, hydrostatic bearing, hydrodynamic bearing,