НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

ФАРУК ВАХІД ЕЛЬ – ДАХАБІ

УДК 62-229.32

СИНТЕЗ ВИСОКОШВИДКІСНИХ ЗАТИСКНИХ ПАТРОНІВ

ТОКАРНИХ ВЕРСТАТІВ

Спеціальність 05.03.01 - “Процеси механічної обробки,

верстати та інструменти”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2006

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут ” на кафедрі конструювання верстатів та машин Міністерства освіти і науки України, м. Київ.

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор, Кузнєцов Юрій Миколайович, Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, професор кафедри “Конструювання верстатів та машин”,м. Київ

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Павленко Іван Іванович, Кіровоградський державний технічний університет,

завідувач кафедри “Технологія машинобудування ”,м. Кіровоград

кандидат технічних наук, доцент Редько Ростислав Григорович, Луцький державний технічний університет,

завідувач кафедри “Комп'ютерне проектування верстатів та технологій машинобудування ”, м. Луцьк

Провідна установа:

Донбаська державна машинобудівна академія, кафедра "Металорізальні верстати та інструменти", Міністерства освіти і науки України, м. Краматорськ

Захист відбудеться 19 червня 2006р. о 1500 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д.26.002.11 в Національному технічному університеті України “Київський політехнічний інститут” за адресою: 03056, м. Київ, проспект Перемоги, 37, навчальний корпус №1, аудиторія 214.

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

Автореферат розісланий 13 травня 2006р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради Майборода В.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність роботи. В умовах серійного і дрібносерійного виробництва однією з важливих народногосподарських задач є технічне і технологічне переозброєння машинобудування, подальше розширення технологічних можливостей, підвищення продуктивності, точності, надійності і довговічності верстатів. Це можливе за рахунок удосконалення вузлів, механізмів і технологічного оснащення верстатів, зокрема токарних.

Сучасні ріжучі інструменти, що оснащені пластинками з твердих сплавів і надтвердих матеріалів, а також алмазні інструменти дозволяють вести обробку на високих швидкостях. Тому для підвищення продуктивності обробки сучасні токарні верстати з ЧПК повинні забезпечити високі частоти обертання шпинделя (до 15-20тис. хв-1). Між тим з підвищенням частоти обертання шпинделя верстата підсилюється дія на кулачки затискного патрона відцентрових сил, які знижують силу затиску приблизно в квадратичній залежності, обмежуючи режими різання, що знижує продуктивність верстатів, обмежує можливість максимального використання їх швидкостей і потужності, підвищує аварійність роботи за рахунок значного збільшення напруг швидкообертаючих деталей і, зокрема, корпусів патронів.

Це потребує нових теоретичних і експериментальних досліджень при створенні принципово нових конструкцій затискних патронів, які здібні працювати і зберігати силу затиску при високих частотах обертання.

Тому створення прогресивного високошвидкісного затискного оснащення, в тому числі високошвидкісних затискних патронів (ВШЗП) і розробка методів їх проектування визначають актуальність даної дисертаційної роботи.

Зв’язок робот з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась у відповідності до тематичного плану науково-дослідницьких робіт Міністерства освіти і науки України і є частиною досліджень за держбюджетною темою “Цільові механізми і оснащення верстатів нового покоління для надшвидкісної і прецизійної обробки” (№ державної реєстрації 0106U002645), госпдоговірною темою з ВАТ “Шліфверст”, м. Лубни (№ державної реєстрації 0101U006066).

Мета і завдання дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення швидкісних показників токарних верстатів з ЧПК за рахунок створення затискних патронів з компенсацією відцентрових сил, що працюють на високих частотах обертання, і розробки методів їх розрахунку і проектування.

Для досягнення поставленої мети необхідно розв’язати наступні задачі:

1. Вивчити основні фактори, які впливають на втрату сили затиску в затискних патронах і провести патентно-інформаційні дослідження по конструкціях ВШЗП, що дозволяє визначити шляхи і тенденції їх розвитку.

2. Застосувати системно-морфологічний підхід при синтезі ВШЗП, що дозволяє створити принципово нові конструкції на рівні винаходів.

3. Розробити математичні модель затискних патронів, котрі враховують вплив статичних і

динамічних факторів на їх міцністні і пружно-силові характеристики при високих частотах

обертання.

4. Експериментально і теоретично дослідити критичні швидкості обертання затискного патрона до його руйнування.

5. Виконати порівняльні теоретичні і експериментальні дослідження силових характеристик традиційних і ВШЗП при різних частотах обертання і жорсткостях системи “патрон-деталь” з використанням спеціального динамометра, що дозволяє без додаткової апаратури в лабораторних і виробничих умовах визначати радіальну силу затиску при обертанні шпиндельного вузла.

6. Розробити практичні рекомендації по створенню і проектуванню нових конструкцій ВШЗП з врівноваженням відцентрових сил для токарних верстатів з ЧПК.

Об’єкт дослідження – традиційні затискні патрони і ВШЗП для токарних верстатів, що працюють на високих частотах обертання.

Предмет дослідження – умови зміни силових характеристик затискних патронів і пружно-напруженого їх деталей стану при дії відцентрових сил незрівноважених частин.

Методи дослідження. Теоретичні дослідження базувались на основних положеннях теорії подібності, теорії машин і механізмів, динаміки верстатів, опору матеріалів, теорії пружності і контактної жорсткості деталей машин. При визначенні пружно-напруженого стану деталей затискного патрона використовувався метод кінцевих елементів із застосуванням ПЕОМ. При синтезі нових ВШЗП застосовувався метод морфологічного аналізу, а для відбору кращих рішень по комплексному якісному критерію – метод розташування пріоритетів. Для експериментальних досліджень використовувався спеціальний цанговий динамометр, стенд на базі токарно-револьверного верстата і діючі верстати.

Достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій підтверджена порівняльними лабораторними та виробничими випробуваннями, результати яких

оброблялись з використанням теорії вірогідності та статистики.

Наукова новизна одержаних результатів. Отримані нові результати для теорії і практики створення затискних патронів з компенсацією дії відцентрових сил, що призначені для роботи на високих частотах обертання, які полягають у наступному:

- з використанням системно-морфологічного підходу виконаний структурно-схемний синтез ВШЗП з формалізацією умов богатокритеріального відбору кращих варіантів;

- отримані аналітичні залежності для визначення розподілу тиску по довжині робочої поверхні змінних кулачків затискного патрона і напрямних постійних кулачків, а також сумарної радіальної сили затиску для конструкцій без компенсації і з компенсацією дії відцентрових сил;

- теоретично обґрунтовано і експериментально підтверджено необхідність врахування впливу жорсткості підсистем "кулачок-деталь" і "кулачок-патрон" на зміну сили затиску при обертанні патрону;

- по результатах аналізу пружно-напруженого тану корпуса затискного патрона з використанням ПЕОМ методом скінченних елементів встановлені граничні значення частот його обертання.

Практичне значення отриманих результатів. На підставі досліджень сил затиску заготовок,

що обертаються, в різних затискних патронах для різних верстатів розроблена методика

розрахунку і проектування ВШЗП, яка дозволяє визначити основні параметри нових конструкцій ВШЗП. Розроблений, випробуваний і рекомендований до застосування спеціальний цанговий динамометр для вимірювання радіальних сил затиску в патроні на ходу верстата без різання. Запропоновані нові конструктивні схеми ВШЗП для токарних і шліфувальних верстатів. Широке застосування ВШЗП дозволяє підвищувати техніко-економічні показники верстатів з ЧПК, скоротити кількість проходів ріжучих інструментів при обробці деталей.

Результати роботи передані для застосування на ВАТ "Веркон" (м.Київ) і використовуються в навчальному процесі на кафедрі "Конструювання верстатів та машин" НТУУ "КПІ".

Особистий внесок дисертанта. Автору належать:

1. Математичне моделювання передачі сил в затискних патронах з врахуванням розподілу тиску в стиках, властивостей і форми деталі і кулачка.

2. Теоретичні і експериментальні дослідження силових характеристик ВШЗП і традиційних патронів, а також напружено-деформованого стану корпусу затискного патрона методом скінченних елементів.

3. Принципи створення ВШЗП на основі системно-морфологічного підходу.

4. Практичні рекомендації по проектуванню нових конструкцій ВШЗП, а також методика розрахунку їх основних характеристик і параметрів.

5. Нові схеми і конструкції ВШЗП і вимірювального оснащення на рівні винаходів, які оформлені заявками і захищені патентами України.

Апробація результатів дисертації. Основні наукові положення роботи доповідалися і обговорювалися на: міжнародній науково-технічній конференції “Промислова гідравліка і гідро-пневмоавтоматика”, присвяченій сторіччю з дня народження Т.М.Башти, 16-18 лютого 2004р., м. Київ; 7-му міжнародному симпозіумі українських інженерів механіків, 18-20 травня 2005р., м. Львів; XII міжнародній науково-технічній конференції “Машинобудування і техносфера XXI сторіччя”, Севастополь-Донецьк 2005р., м. Севастополь.

Публікації за матеріалами дисертації. За темою дисертації опубліковано 7 наукових робіт, серед них 5 статей у наукових фахових виданнях України, 2 патенти України на винаходи.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, 5-ох глав, загальних висновків і додатків. Робота викладена на 165 друкованих сторінках, містить 75 рисунків, 14 таблиць, список використаних джерел із 163 найменувань та 10 додатків на 57 сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обґрунтована актуальність дисертаційної роботи, визначена мета, сформульовані завдання дослідження, показана наукова новизна та практичне значення одержаних результатів, подані відомості про апробацію, публікації та структуру дисертації.

Глава 1 “Проблеми створення високошвидкісних затискних патронів (ВШЗП) для металорізальних верстатів” містить відомості про вплив затискного патрона (ЗП) на основні техніко-економічні показники: продуктивність, якість обробки і витрати на виготовлення деталей. Наголошується, що питаннями, пов’язаними з дослідженням, розрахунком і проектуванням затискних механізмів (ЗМ) одночасно почали займатися технологи і конструктори, вчені в галузі машинобудування і верстатобудування, серед яких Б.С.Балакшин, Б.М. Базров, А.М. Дальський, Г.С. Івасишин, К.С. Колєв, П.А. Корабльов, В.С. Корсаков, Ю.М. Кузнєцов, М.Л. Орликов, О.С. Проніков, Д.М. Решетов, Ю.М. Соломєнцев, Г.А. Шаумян та багато інших.

Сформульовані вимоги до ЗМ і розглянута його загальна структура з врахуванням додаткової системи компенсації відцентрових сил незрівноважених затискних елементів (ЗЕ)(рис. 1), яка може знаходитися в патроні (П), передавально-підсилюючому механізмі (ППМ) або приводі затиску (Пр3).

Для ВШЗП з врахуванням впливу частоти його обертання на силові характеристики і для порівняння різних конструкцій запропоновано ввести додатко-вий показник – коефіцієнт втрати радіальної сили затиску Т одного затискного елемента (ЗЕ) або сумарної сили затиску ТУ всіх ЗЕ:

, (1)

де Тщ і ТУщ – радіальна сила затиску, яка діє на заготовку (деталь) відповідно з боку одного або всі ЗЕ в статиці і при заданій частоті обертання щі(nі), - показник рівня падіння вихідної силової характеристики патрона від дії відцентрової сили Fk незрівноважних ЗЕ. При максимальній (критичній) частоті щmax ЗП повністю втрачає працездатність, бо ТУщ=0 і коефіцієнт КТщ=0.

На підставі патентно-інформаційних досліджень наведений детальний аналіз відомих схем і конструкцій ВШЗП с компенсацією відцентрових сил, а також проаналізовані раніше проведені теоретичні і експериментальні дослідження які свідчать про те, що: 1. Відсутні методологія створення ВШЗП на основі системно-морфологічного підходу математичні моделі багатомасової системи ВШЗП, які враховують вплив статичних і динамічних характеристик на силові характеристики патрона при дії збуджуючих факторів в усьому робочому діапазоні діаметрів заготовок, що обробляються. 2. Відсутні теоретичні дослідження і недостатньо проведено експериментальних досліджень силових і міцністних характеристик нових конструкцій ВШЗП. 3. Не розроблені практичні рекомендації по проектуванню нових конструкцій ВШЗП, які поки не знайшли застосування і не виробляються в Україні. Не встановлені граничні (критичні)частоти обертання для різних ЗП, що обмежені міцністю основних деталей.

В другій главі “Принципи створення високошвидкісних затискних патронів” на основі системно-морфологічного підходу з використанням методу морфологічного аналізу виконаний структурний синтез ВШЗП з побудовою трьох морфологічних таблиць, де обрані наступні основні ознаки: 1. Об’єкт затиску. 2. Тип приводу затиску. 3. Силовий контур патрона. 4,5,6. Структура патрона (корпус, затискний патрон, передавально-підсилююча ланка). 7,8,9.  Зв’язки корпуса і

затискного патрона. 10. Спосіб компенсації відцентрових сил. 11. Спосіб зняття напружень корпуса патрона.

Три морфологічні таблиці можна подати у вигляді морфологічної матриці:

МВШЗП=МОЗ^МСТ^МЗВ, (2)

де МОЗ, МСТ, МЗВ – морфологічні матриці відповідно об’єктів та способів затиску, структури патрона та зв’язків між його основними елементами .

В розгорнутому вигляді матриця МВШЗП має наступний вигляд:

Загальна кількість варіантів структур ВШЗП складає астрономічне число

і може бути обмежена за рахунок зменшення альтернатив, що проілюстровано на синтезу схем ВШЗП (табл.1). по морфологічній матриці в згорнутому вигляді

(4)

і розгорнутому

Загальне число можливих структур ВШЗП стало NСХ=5467=840, зв'язків NЗВ=263=192, а схем NСХ = NСТ NЗВ = 840192=161280

З морфологічних таблиці (табл.1) і матриці (5) в якості вихідних об'єктів для удосконалення обрані 3 патрона без компенсації відцентрових сил: важільнокулачковий, клинокулачковий і важільноклинокулачковий згідно морфологічних формул:

Рис.2. Традиційні без компенсації відцентрових сил (Х1 – Х3) і синтезовані ВШЗП с компенсацією відцентрових сил в повздовжній площині ХУ (альтернатива 11.1)

X1>|1.1-2.1-3.6-4.7|^|5.1-6.2-7.2-8.2-9.2-10.2-11.1|,

X2>|1.2-2.1-3.6-4.7|^|5.1-6.2-7.2-8.2-9.2-10.2-11.1|,

X3>|1.5-2.1-3.6-4.7|^|5.1-6.2-7.2-8.2-9.2-10.2-11.1|.

Для синтезу ВШЗП з компенсацією відцентрових сил був обраний урівноважуючий елемент (УЕ) у вигляді повзуна (альтернатива 3.1), що даю 3 нових схеми патрона Х4 – Х6 (рис.2).

З використанням методу розташування пріоритету, запропонованого проф. Блюмбергом В.А., при попарному порівнянні по шести якісним критеріям К1-К6 (початкова статична сила затиску, рівень падіння вихідної сили, рівень зростання вхідної сили, трудомісткість і технологічність конструкції, надійність роботи, жорсткість системи патрон-деталь) був обраний для подальших досліджень синтезований варіант ВШЗП з компенсацією відцентрових сил (варіант Х6) (по патенту України № 74683 (рис. 3).

Рис.3. Клиноважільний кулачковий ВШЗП з компенсацією відцентрових сил по патенту України № 74683: 1 – корпус, 3 – клин, 4 – груз, 6 – важіль, 12 – затискний кулачок, 15 – гайка, 18 – тяга, 19 – вісь.

Глава 3 “Теоретичне дослідження ВШЗП” присвячена аналізу силових характеристик ВШЗП запропонованої конструкції (рис.3.). При силовому аналізі виконувалося моделювання силових характеристик патрона в статиці (n=0) і при обертанні на різних частотах n без компенсації і з компенсацією відцентрових сил з врахуванням розподілу сил на затискному елементі-кулачку (рис.4).

На кулачок (рис.4, а) діють: радіальна сила тиску q(x) на робочій поверхні, характер розподілу якої по довжині контакту лінійного стику q(x)=A+Bx (де А, В – коефіцієнти функції розподілу тиску), R1, R2 – результуючі реакції в напрямних пазах патрона, fR1, fR2 – сили тертя в напрямних пазах, R3 – сила, що передається на кулачок від приводу; - радіальна сила затиску деталі одним кулачком, яка діє на відстані від напрямних

Після перетворення отримана система рівнянь затискного кулачка:

(6)

В ньому невідомими величинами є:R1, R2, А, В. Для їх находження використовуємо додаткове рівняння кутових переміщень

, (7)

де - поворотна податливість стику кулачок-напрямні;- довжина напрямних;

- кут розточування кулачка, рад; - довжина робочої частини кулачка;- контактна податливість стику кулачок-деталь.

Відцентрова сила (де mК і RК – відповідно маса і радіус центра мас основного і накладного кулачків) при n>0 (рис.4, б) викликає додаткове навантаження напрямних кулачків і їх поворот, що в кінцевому результаті призводить до

зменшення сили затиску на відстані

і по розподілу тиску по довжині кулачка

,

нові коефіцієнти функції розподілу тиску. При цьому система п’яти рівнянь затискного кулачка стане:

(8)

де невідомі ;Коп – контактна піддатливість опори важеля;

- відстань від центра мас основного і накладного кулачків;; ;- коефіцієнт тертя;; ;

; .

Розв’язання системи рівнянь (8) дає можливість визначити розподіл радіального тиску

, (9)

сумарної динамічної сили затиску ВШЗП без компенсації відцентрових сил

(10)

Дослідження впливу частоти обертання на характер розподілу радіальної сили затиску здійснювалося за допомогою ПЕОМ (рис.5).

Рис.5. Характер розподілу радіальної сили затиску по довжині кулачка для осьової сили від приводу S=4кH і куту розточування кулачка =1/350 рад при використанні накладних кулачків: а – призматичних типу KM – WBL – 80; б – ступінчастих типу SHB – J80

Залежності сумарної радіальної сили від частоти обертання показали, що при сумарній осьовій силі привода SУ=3S=12кH сила для призматичних стальних кулачків при хв-1, а для ступінчастих при хв-1.

Використовуючи систему рівнянь, аналогічну систему (7), отримані коефіцієнти функції розподілу тиску по довжині робочої поверхні кулачка і реакції в напрямних основних кулачків, а

також сумарна радіальна сила затиску ВШЗП з компенсацією відцентрових сил:

(11)

Використання компенсатора у вигляді врівноваженої ваги – повзуна (альтернатива 3.1, табл. 1) масою призводить до підвищення робочих частот обертання в 1.57 і 3.12 разів відповідно для призматичних і ступінчастих накладних кулачків в порівнянні з ВШЗП без компенсатора (рис. 6).

Теоретично доведено, що затискається, призводить до суттєвого зниження сумарної сили затиску при підвищенні частоти обертання ВШЗП з компенсатором. Так при , і податливості деталі сила , а при податливості деталі сила зменшиться до , тобто приблизно в 2 рази, що робить обробку небезпечною.

Рис.6. Залежність сумарної радіальної сили затиску від частоти обертання для ВШЗП з компенсатором ()

В роботі теоретично встановлені напружено-деформованого стану корпуса ВШЗП при дії відцентрових сил та допустимої частоти обертання, що обмежується його міцністю. Для теоретичного дослідження напружено-деформованого стану корпуса ВШЗП використано метод скінчених елементів (МСК), який є одним із найрозповсюдженіших в техніці числових методів вирішення задач теорії пружності завдяки таким властивостям як універсальність, хороша алгоритмізованість, хороша чисельна стійкість МСК- алгоритмів.

Ідея МСК полягає в тому, що область зміни шуканих функцій, яка підлягає дослідженню, розподіляється на ряд підобластей простої форми. Шукані функції апроксимують в межах кожної підобласті поліномами так, що коефіцієнти апроксимуючих поліномів виражаються через значення шуканих функцій в скінченому числі так званих вузлових точок підобласті. Підобласть з вибраними вузловими точками називається скінченим елементом. Визначення шуканих функцій в вузлах сітки скінчених елементів, по суті, э вирішенням задачі.

При використанні МСК для вирішення задачі про напружено-деформований стан корпуса ВШЗП суцільне пружне тіло заміняється сукупністю окремих скінчених елементів, зв’язаних між

собою у вузлових точках. Між вузловими зусиллями і вузловими переміщеннями існує залежність:

, (12)

де і - вектор-стопці вузлових зусиль і переміщень; - матриця жорсткості, що визначає пружні властивості елемента, що розглядається.

Повний цикл аналізу напружено-деформованого стану корпуса ВШЗП за допомогою розрахункового програмного комплексу MSC Nastran for Windows включає наступні етапи: розробку геометричної твердотільної моделі; задання характеристик матеріалів; вибір типу скінченних елементів і ввід їх параметрів; розбиття геометричної моделі на скінченні елементи; задання граничних умов, що накладаються на корпус ВШЗП, та формування системи навантажень; перевірка коректності розробленої скінченно-елементної моделі; моделювання напружено-деформованого стану; аналіз результатів моделювання.

Геометрична модель корпуса ВШЗП (рис.7) створена за допомогою засобів, що базуються на геометричному ядрі твердотільного моделювання. Розроблена твердотільна модель враховує практично всю геометрію реальної конструкції.

Генерація скінченно-елементної сітки здійснена автоматично з використанням опцій керування її параметрами, які дозволяють встановити розмір скінченного елемента, коригування сітки на складних ділянках та ін. Геометрія корпуса ВШЗП описана сіткою тетраедральних скінчених елементів (рис.8), кількість яких становить 12648. Використані десятивузлові тетраедральні скінченні елементи, які забезпечують другий порядок апроксимації, що дозволяє краще описувати криволінійні границі і забезпечує високу точність розрахунку. Після створення скінченно-елементної сітки задані граничні умови, роль яких при статичному розрахунку виконують закріплення корпуса ВШЗП. На корпус ВШЗП в процесі обертання діють зовнішні об’ємні навантаження, викликані відцентровими силами інерції.

Моделювання напружено-деформованого стану проводилося в діапазоні частот обертання ВШЗП 0 – 11000 хв-1. результатами моделювання корпуса ВШЗП, навантаженого силами інерції, що викликані кінематичною дією, є еквівалентні напруження в елементах корпуса.

Значення еквівалентних напружень розрахувалися по гіпотезі енергії зміни форми Ріхарда Фон Мізеса:

, (13)

де , ,, ,, - компоненти тензора напружень в розглядуваній точці елемента корпуса ВШЗП.

Картина напруженого стану корпуса ВШЗП, отримана в результаті моделювання при частоті n=3000 хв-1 , приведена на рис.9. де показані елементи корпуса, в яких виникають найбільші еквівалентні напруження. На рис.10 приведений графік розрахункових величин еквівалентних напружень по вузлах скінченно-елементної сітки. Аналогічно проведено моделювання для решти частот обертання.

Із отриманих результатів випливає, що найбільші напруження виникають в елементах корпуса між заглибленнями під важелі переміщень кулачків і пазами кулачків. Це пояснюється тим, що в результаті виконання пазів з напрямними кулачків отримуються три консольні сегменти, які в процесі обертання ВШЗП стараються під дією відцентрових сил повернутися відносно умовної площини їх закріплення.

Рис.9. Картина напружено-деформованого стану корпуса ВШЗП при частоті обертання n=3000 хв-1

Рис.10. Розподіл еквівалентних напружень по вузлах скінченно-елементної сітки

В результаті обробки даних за результатами моделювання отримана квадратична залежність максимальних еквівалентних напружень, що виникають в елементах корпуса ВШЗП від частоти обертання:

, (14)

де n – частота обертання ВШЗП.

Допустима частота обертання, обмежена міцністю корпуса ВШЗП, виготовленого із різних марок сталей приведена в табл.2.

Четверта глава “Експериментальні дослідження силових характеристик затискних патронів при різних частотах обертання” присвячена опису експериментальних стендів, методиці і оснащенню для експериментальних досліджень, аналізу результатів порівняльних досліджень силових характеристик традиційних затискних патронів на різних частотах обертання заготовок різного діаметру і жорсткості.

Для експериментальної оцінки критичних частот обертання затискного патрона (навіть до його руйнації) було створено спеціальне устаткування (рис.11), яке для безпеки розташовано в окремому приміщенні, а керування (включення електродвигуна) здійснювалося з другого приміщення.

За об’єкт дослідження був обраний спірально-кулачковий патрон з ручним приводом затиску, корпус якого із зовнішнім діаметром Dн=130мм був виготовлений із органічного скла, а інші деталі – дюралюмінію.

Для механізованих затискних патронів з гідроприводом використовувався стенд на базі токарно-револьверного верстата, розташований в лабораторії верстатів з ЧПК кафедри “Конструювання верстатів та машин” НТУУ “КПІ”. Виробничі дослідження затискних патронів проводилися на токарних верстатах в лабораторії тієї ж кафедри з використанням виготовленого

Рис.11. Загальний вигляд устаткування для дослідження критичних частот обертання затискного патрона: а – вигляд попереду; б – вигляд збоку; 1 – затискний патрон; 2 – пасові прискорюючі передачі; 3 – електродвигун

автором спеціального цангового динамометра (рис.12, а), що дозволяє вимірювати радіальну силу затиску на ходу верстата (рис.12,б).

Тарировка динамометра при установці в призмі здійснювалася на спеціальному устаткуванні кафедри опору матеріалів НТУУ “КПІ”.

Випробування проводилися при імітації затиску заготовок з різних матеріалів, різних діаметрів і різної жорсткості (суцільних і тонкостінних). По результатам вимірювань для різних статичних сил затиску побудовані графіки залежності сили від частоти обертів n (в межах діапазону частот верстата ) затискних патронів без компенсації відцентрових сил. Для прикладу на рис.13 наведені графіки при статичній початковій сили затиску накладок Dн=100мм.

Рис.13. Графіки залежності динамічної радіальної сили затиску від частоти обертання патрона для накладок різної жорсткості: 1 – стальних цільних; 2 – дюралюмінієвих цільних; 3 – стальних тонкостінних

Встановлено, що при зменшенні жорсткості заготовки (накладок) вплив відцентрових сил незрівноважених затискних елементів зменшується, а при збільшенні зовнішнього діаметру заготовок (накладок) падіння динамічної сили затиску помітно збільшується , що підтверджує результати теоретичних досліджень.

П’ята глава “Рекомендації по розрахунку і проектуванню затискних патронів, процюючих на високих частотах обертання” містить у вигляді інженерних методик перевірочні розрахунки силових характеристик ВШЗП, напруженого стану корпуса затискного патрону, динамічної силової характеристики спірального трьохкулачкового патрону СТ-250 і порівняння ії з експериментальними даними, які свідчать про достатню достовірність теоретичних досліджень, викладених в гл.3. Наведений узагальнений алгоритм проектування ВШЗП на різних рівнях, починаючи з структурно-схемного синтезу і закінчуючи розробкою синтезованих конструкції. Запропоновані нові схеми і конструкції ВШЗП, оформлених заявками на винаходи і корисні моделі.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

В результаті виконаних у дисертації досліджень розвинута теорія проектування високошвидкісних затискних патронів (ВШЗП) для токарних верстатів, яка полягає в наступному:

1. При створенні ВШЗП необхідно використовувати: додаткові поля (гравітаційні, магнітні, електромагнітні), що компенсують гравітаційне поле незрівноважених затискних елементів; принцип закриття силового контуру патрона; зниження мас і радіусів центра тяжіння незрівноважених затискних елементів за рахунок їх форми.

2. Теоретично встановлено, що стан поверхонь тертя патрона, що обертається, здійснює суттєвий вплив на його силові характеристики. Наприклад, підвищення коефіцієнта тертя від 0,1 до 0,2 приводить до зменшення силу затиску в 1,3 рази, в той час, як довжина напрямних кулачка в меншій мірі впливає на зміну сили затиску.

3. Встановлено вплив форми кулачка на характер зміни сили затиску при обертанні затискного патрона без компенсації сил. При використанні стандартних призматичних стальних накладних кулачків типу КМ-WBL-80 сумарна сила затиску дорівнює нулю при n=2035хв.-1, а при використанні ступінчастих накладних кулачків типу SGB-j80 - nmax=2450 хв.-1. Вплив форми кулачка ще більше відчутний при компенсації відцентрових сил, так, наприклад, використання компенсатора відцентрових сил у вигляді врівноваженого вантажу масою 1,3 кг приводить до підвищення частоти обертання при умові 2/3 втрати сили затиску до 2610 хв.-1 при використанні призматичних, 6290 хв-1 – для ступінчастих.

4. Запропоновані аналітичні залежності для визначення динамічної радіальної сили затиску і коефіцієнта підсилення дозволяють для заданого типу кулачків підібрати оптимальну масу зрівноваженого вантажу, при якій падіння сили затиску практично відсутнє, а допустима частота обертання обмежується тільки міцністю елементів ВШЗП (зокрема, корпуса).

5. Встановлено, що підвищення жорсткості деталі, що затискається, навіть при наявності компенсатора приводить до значного зниження динамічної сумарної радіальної сили затиску. Так, наприклад, при частоті обертання n=3000 хв.-1 і жорсткості деталі jp=100 Н/мкм сила =27 кН, а при jp=400 Н/мкм знижується приблизно вдвічі до 14кН. Деталі, які мають отвори, з відношенням внутрішнього і зовнішнього діаметрів більш 0,7 вважаються нежорсткими, із-за чого втрата сили затиску в них значно менша і їх обробка менш небезпечна.

6. Теоретичні дослідження показали, що підвищення жорсткості стиків кулачок-напрямні і

опори важеля між кулачком і компенсатором, приводить до підвищення сумарної сили затиску і жорсткості ВШЗП в цілому не менше, ніж на 20%.

7. Запропонована конструкція ВШЗП, як показали розрахунки міцності його корпуса методом скінчених елементів, дозволяє підвищити допустиму частоту обертання до 8950 хв.-1 при виготовленні із сталі 45, до 9670 хв.-1 – із сталі 40Х і до 11770 хв.-1 – із сталі 45ХН2МФА. Для розрахунку максимальних еквівалентних напружень і пружних переміщень корпуса в залежності від частоти обертання запропоновані емпіричні залежності.

8. При структурно-схемному синтезі ВШЗП запропоновано використовувати системно-морфологічний підхід з побудовою морфологічних таблиць, матриць і формул, де в якості основних ознак вперше прийняті силовий контур патрона, способи зрівноваження відцентрових сил в різних площинах і зняття напружень корпуса патрона. Застосування методу морфологічного аналізу дозволило синтезувати множину ВШЗП на рівні винаходів і корисних моделей.

9. Розроблений і виготовлений динамометр дозволив на ходу верстата вимірювати радіальні сили затиску при різних частотах обертання, що дало можливість в лабораторних і виробничих умовах порівнювати по динамічних силових характеристиках різні патрони з компенсатором і без компенсатора відцентрових сил.

10. Розроблена методика проектування і розрахунку ВШЗП, яка містить вибір принципу затиску, структурний, схемний і параметричний синтез, створює реальні передумови для автоматизованого проектування ВШЗП.

11. Результати даної роботи у вигляді конструктивних, розрахункових, технологічних і експлуатаційних рекомендацій передані для впровадження ВАТ “Веркон” (м. Київ) і використовуються в навчальному процесі на кафедрі "Конструювання верстатів та машин" НТУУ “КПІ” при вивченні дисциплін “Верстати з ЧПК та верстатні комплекси”, “Теорія розв’язання творчих задач”, “Основи технічної творчості”.

Список опублікованих робіт з теми дисертації

1. Кузнецов Ю.Н., Эль-Дахаби Фарук В. Исследование силовых характеристик зажимного патрона, работающего на высоких частотах вращениях // Вестник НТУУ “Киевский политехнический институт”, серия машиностроение, выш. 45, Киев, 2004. – с.76-79.

Здобувачем визначені коефіцієнти підсилення високошвидкісних затискних патронів в статиці і динаміці при різних частотах обертання з компенсацією і без компенсації відцентрових сил.

2. Кузнецов Ю.Н., Эль-Дахаби Фарук В. Системно-морфологический подход при синтезе высокоскоростных зажимных патронов. Техніка в сільськогосподарському виробництві, галузеве машинобудування, автоматизація. Праці КНТУ. – Кіровоград: № 15,2004. – с.388-398.

Здобувачем запропонований системно-морфологічний підхід при проектуванні високошвидкісних затискних патронів, розроблена морфологічна матриця нових варіантів ВШЗП.

3. Эль-Дахаби Фарук В. Создание и исследование высокоскоростных токарных патронов. // Промислова гідравліка і пневматика. ВДАУ, Вінниця, №17, 2005. – с. 96-100.

Здобувачем в результаті теоретичних досліджень визначені шляхи і тенденції створення

високошвидкісних затискних патронів і запропоновані нові конструкції ВШЗП з

компенсацією відцентрових сил

4. Кузнєцов Ю. М., Ель-Дахабі Фарук В., Волошин В.Н. Критичні частоти обертання токарних затискних патронів // Машинознавство, вип. , Львів: 2005. – с. 17-21.

Здобувачем розроблена аналітична модель силових характеристик високошвидкісного затискного патрона з компенсацією відцентрових сил. Приведені розрахунки корпуса патрона за розробленою моделлю на міцність.

5. Эль-Дахаби Фарук В. Динамометр для исследования силовых характеристик высокоскоростных токарных зажимных патронов. Сборник трудов “Машиностроение и техносфера XXI века”, том 4. – Донецк: 2005. – с.119-123.

Здобувачем описано будову і принцип роботи динамометра, виготовленого автором для вимірювання радіальної сили затиску на ходу верстата без струмоз’ємних пристроїв при різних частотах обертання, діаметрах обробки, матеріалах і тонкостінних оправках.

6. Патент України №36730А. Динамометричний гайковий ключ/ Фарук Вахід Ель-Дахабі. Заявка №2000020557 від 01,02,2000, МПК В25В 23/14, опубл. 16,04,2001, Бюл.№3.

7. Патент України № 74683. Затискний патрон /Кузнєцов Ю.М., Фарук Вахід Ель-Дахабі. Заявка №2004021396 від 26.02.2004, МПК В23В31/14, опубл. 16.01.2006, бюл.№1.

АНОТАЦІЯ

Фарук Вахід Ель-Дахабі. Синтез високошвидкісних затискних патронів токарних верстатів. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук по спеціальності 05.03.01 – "Процеси механічної обробки, верстати та інструменти", Національний технічний університет України "Київський політехнічний інститут", Київ, 2006. Дисертація присвячується розробці принципів створення високошвидкісних затискних патронів (ВШЗП) з позицій системного підходу, теоретичному обґрунтуванню робото здатності і комплексному дослідженню їх характеристик на різних частотах обертання.

Запропонований системно-морфологічний підхід з використання методу морфологічного аналізу для синтезу ВШЗП. На основі розроблених математичних моделей, в тому числі кінцево-елементних, затискного патрона і його корпуса теоретично досліджено вплив різних факторів на пружно-силові і міцністні характеристики.

Представлені результати порівняльних експериментальних досліджень різних затискних патронів з використанням розробленого динамометра на різних частотах обертання, для різних діаметрів і жорсткостей деталей. Розроблені нові конструкції ВШЗП, дані рекомендації по їх проектуванню і впровадженню.

Ключеві слова: токарний верстат, високошвидкісний затискний патрон, відцентрові сили, морфологічний аналіз, процес затиску, кінцево-елементна модель, структурно-схемний синтез.

АННОТАЦИЯ

Ель-Дахаби Фарук. Синтез высокоскоростных зажимных патронов токарных станков. – Рукопись.

Диссертация на соискание научного степени кандидата технических наук по специальности 05.03.01 – "Процессы механической обработки, станки и инструменты ", Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт ", Киев, 2006.

Диссертация посвящена разработке принципов создания высокоскоростных зажимных патронов (ВСЗП) с позиций системного подхода, теоретического обоснования работоспособности и сравнительному исследованию их характеристик на разных частотах вращения.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов, списка использованных источников и приложений.

Предложен системно-морфологический подход с использованием метода морфологического анализа для синтеза ВСЗП. При создании ВСЗП необходимо использовать: дополнительные поля (центробежных сил, магнитные, электромагнитные), компенсирующие гравитационные поля неуравновешенных зажимных элемнтов; принцип закрытия силового контура патрона; снижение масс и радиусов центра тяжести неуравновешенных зажимных элементов за счет их формы. На основе разработанных математических моделей, в том числе конечно-элементных, зажимного патрона и его корпуса теоретически исследовано влияние разных факторов на упруго-силовых и прочностных характеристик.

На основании рассмотрения схемы действия сил, приложенных к зажимным элементам в патронах, выполненных с компенсацией и без компенсации центробежных сил, выведены зависимости для определения коэффициентов распределения радиальных сил зажима по длине их рабочих поверхностей в статике и в режиме установившегося вращения патрона. Установлено влияние формы кулачка на характер изменения силы зажима при вращении зажимного патрона без компенсации сил. При использовании стандартных призматических стальных насадных кулачков типа KM-WBL-80 суммарная сила зажима становится равной нулю при nmax=2035 мин-1, а при использовании ступенчатых накладных кулачков типа SGB-j80 n =2450 мин-1. Влияние формы кулачка ещё более ощутимо при компенсации центробежных сил, так, например, использование компенсатора в виде уравновешивающего груза массой 1,3 кг приводит к увеличению частоты вращения при условии 2/3 потери силы зажима до 2610 мин-1 – при использовании призматических накладных и кулачков до 6290 мин-1- при ступенчатых кулачках.

Получены новые результаты для теории и практики создания зажимных патронов с компенсацией действия центробежных сил, предназначенных для работы на высоких частотах вращения, а по результатам анализа упруго-напряженного состояния корпуса зажимного патрона установлены граничные значения частот его вращения.

Разработан, испытан и рекомендован к применению специальный цанговый динамометр для измерения радиальных сил зажима в патроне на ходу станка без резания.

Представлены результаты сравнительных экспериментальных исследований разных зажимных патронов с использованием разработанного динамометра на разных частотах вращения, для разных диаметров и жесткостей деталей. Разработаны новые конструкции ВСЗП на уровне изобретений и полезных моделей , данные рекомендации по их проектированию и внедрению.

Разработана методика проектирования и расчёта ВСЗП, которая включает выбор принципа зажима, структурный, схемный и параметрический синтез, и создаёт реальные предпосылки для автоматизированного проектирования ВСЗП.

Результаты работы переданы для внедрения на Киевское ОАО "Веркон" и используются в учебном процессе на кафедре "Конструирование станков и машин" НТУУ "КПИ".

Ключевые слова: токарный станок, высокоскоростной зажимной патрон, отцентрированные силы, морфологический анализ, процесс зажима, конечно-элементная модель, структурно-схемный синтез.

SUMMARY

Farouk Wahid El-Dahabi. Synthesis of high-speed tightening chuck of lathes. – Manuscript.

The dissertation on competition scientific degrees candidate's technical sciences by speciality 05.03.01 – " Mechanical treatment processes, machine tools and tools ", National technical university of Ukraine " Kiev polytechnical institute ", Kiev, 2006.

Dissertation it is devoted to development of principles of creation of high-speed tightening chucks from positions of the system approach, the theoretical basis of serviceability and to complex research of their characteristics on different frequencies of rotation. The offered system - morphological approach with use of a method of the morphological analysis for synthesis high-speed tightening chucks. On the basis of the developed mathematical models, including certainly - element, a tightening chucks and its case influence of different factors on elastic - power and disabilities characteristics is theoretically investigated. Results of comparative experimental researches of different tightening chucks with use of the developed dynamometer on different frequencies of rotation, for different diameters and rigidity details are submitted. The new designs ВСЗП given to the recommendation on their designing and introduction are developed.

Key words: a lathe, high-speed tightening a chuck centered forces, the morphological analysis, process of a clip, certainly - element model, structural - circuit synthesis.