НАЦІОНАЛЬНИЙ ТЕХНІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ УКРАЇНИ

“КИЇВСЬКИЙ ПОЛІТЕХНІЧНИЙ ІНСТИТУТ”

ЮРЧИШИН ОКСАНА ЯРОСЛАВІВНА

УДК 621.941.323.2

ПРУЖНО-ДЕМПФУЮЧІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ТА ПРОГНОЗУВАННЯ МЕЖ ВИКОРИСТАННЯ ШИРОКОДІАПАЗОННИХ ЦАНГОВИХ ПАТРОНІВ

Спеціальність: 05.03.01. – Процеси механічної обробки, верстати та інструменти

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Київ – 2008

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі конструювання верстатів та машин Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут ” 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”.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор,

Оборський Геннадій Олександрович,

Одеський державний політехнічний університет,

проректор з навчальної, науково-педагогічної діяльності та кадрово-економічних питань, завідувач кафедри „Металорізальні верстати, метрологія та сертифікація"

кандидат технічних наук, доцент,

Редько Ростислав Григорович,

Луцький державний технічний університет,

завідувач кафедри „Комп’ютерного проектування верстатів та технологій машинобудування”

Захист відбудеться “15“ квітня 2008р. о 15 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 в бібліотеці Національного технічного університету України “Київський політехнічний інститут”

Автореферат розісланий “13березня 2008р.

Вчений секретар спеціалізованої

вченої ради Д 26.002.11 Майборода В.С.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. В умовах ринкової економіки, яка вимагає частої зміни номенклатури продукції і підвищення продуктивності та конкурентноздатності необхідно скорочувати до мінімуму період переходу на випуск інших типорозмірів або видів продукції. Одним з резервів скорочення переходу на випуск іншого виду продукції є зменшення часу на переналагодження металообробного обладнання, зокрема токарних верстатів і їх затискних механізмів. Для цього необхідно зменшення часу заміни кінцевої ланки затискного механізму – цанги, за рахунок використання комплекту змінних накладок до стандартних цанг, самоналагоджувальних цангових патронів, які дозволяють затискувати прутки з відхиленням діаметра до 1-2 мм, та широкодіапазонних цангових патронів (ШЦП) з одно- та багаторядною мультиплікацією для затиску заготовок різної форми та розмірів в границях до 3-4 мм. Забезпечення стабільності силових характеристик, характеристик жорсткості та точності затиску, підвищення надійності затиску вимагає глибокого дослідження пружно-демпфуючих характеристик ШЦП з мультиплікацією і на основі цих досліджень проведення прогнозування їх меж використання як технічної системи і створення нових конструкцій. Тому дослідження пружно-демпфуючих характеристик і прогнозування меж використання ШЦП є актуальною проблемою на даний час.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконувалась на кафедрі конструювання верстатів та машин відповідно до тематичного плану науково-дослідницьких робіт Міністерства освіти і науки України і є частиною досліджень за держбюджетною темою №2988 “Створення вузлів і механізмів верстатів нового покоління для швидкісної і прецизійної обробки деталей” (№ державної реєстрації 0106U007223), госпдоговірною темою з ВАТ “Шліфверст”, м. Лубни (№ державної реєстрації 0101U006066) та темою за власною ініціативою “Цільові механізми і оснащення верстатів нового покоління для надшвидкісної і прецизійної обробки” (№ державної реєстрації 0106U002645).

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення продуктивності і якості обробки та розширення технологічних можливостей токарних верстатів за рахунок застосування та прогнозування меж використання ШЦП з покращеними пружно-демпфуючими властивостями.

Для досягнення мети в роботі необхідно було розв’язати наступні задачі:

1. Провести аналіз відомих конструкцій ШЦП та існуючого стану методик їх досліджень.

2. Провести теоретичні дослідження динамічної системи шпиндель-ШЦП-деталь.

3. Розробити методики експериментальних досліджень для визначення пружно-дисипативних властивостей затискних цангових патронів різних типів.

4. Розробити математичні моделі пружної системи “шпиндель-патрон-деталь” з врахуванням коефіцієнту демпфування для існуючих і нових конструкцій ШЦП і контактної взаємодії затискного елемента із заготовкою (прутком).

5. Провести експериментальні дослідження та промислове випробування конструкцій ШЦП з покращеними демпфуючими властивостями.

6. Здійснити наукове прогнозування меж використання ШЦП за допомогою патентної інформації і статистичних методів прогнозування.

7. Розробити практичні рекомендації по створенню і використанню нових конструкцій ШЦП для різних галузей народного господарства.

Об’єкт дослідження – широкодіапазонні цангові патрони токарних верстатів.

Предмет дослідження – пружно-демпфуючі характеристики ШЦП і контактної взаємодії затискних елементів з прутком.

Методи дослідження. Поставлені задачі вирішувались комплексно, шляхом проведення теоретичних та експериментальних досліджень. Теоретичні дослідження ґрунтуються на основних положеннях теорії матриць і векторного числення, теоретичної механіки, опору матеріалів, теорії механічних коливань, теорії пружності і МКЕ.

Експериментальні дослідження проводились з використанням методів математичної статистики та планування експерименту з використанням сучасної вимірювальної апаратури на спеціальному стенді та токарно-револьверному верстаті.

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Розвинута теорія створення і проектування широкодіапазонних цангових патронів стосовно визначення просторових коливань затиснутої в патроні заготовки шляхом врахування зміни радіальної динамічної жорсткості патрона по куту повороту шпинделя, встановлено, що детермінована складова радіальної жорсткості відповідає полігармонічному процесу із суттєвими третьою, шостою та другою гармоніками, а стохастична складова є квазістатичним по куту повороту сили процесом із законом розподілу, близьким до нормального.

2. Розроблено пружно-деформаційну модель цангового патрона і нову математичну модель коливального процесу системи шпиндель-патрон-деталь, які з врахуванням гістерезисного характеру пружно-демпфуючих характеристик цієї системи дозволяють комплексно оцінювати вплив демпфуючих і пружних властивостей контактних груп цангового механізму на рівень коливань заготовки.

3. На основі математичного моделювання в поєднанні з експериментальним дослідженням визначено просторові динамічні похибки обробки циліндричних поверхонь, для аналізу цих похибок запропоновані спеціальні методи порівняльного спектрального аналізу, при цьому визначені області наявних максимальних динамічних похибок, їх амплітудні і частотні характеристики та дані рекомендації по зменшенню максимальних та середніх проявів динамічних похибок, розроблено математичну модель ідентифікації пружних та демпфуючих характеристик системи з врахуванням їх стохастичного характеру.

4. Вперше експериментально визначено підвищення не менше ніж в 2 рази демпфуючих властивостей синтезованих тангенціальним розтином затискних елементів широкодіапазонного цангового патрона в порівнянні з традиційними цанговими патронами, їх позитивний вплив на динамічну якість системи шпиндель-патрон-деталь токарних верстатів, що обробляють пруткові і трубні заготовки.

Практичне значення отриманих результатів. На основі дослідження силових та кінематичних характеристик розроблено методику проектування ШЦП з покращеними пружними і демпфуючими властивостями.

Розроблено нові схеми ШЦП, призначені для комплектації нових високопродуктивних і модернізації існуючих токарних верстатів з різними системами керування, захищені патентами України на корисні моделі та винаходи.

Розроблено і перевірено на практиці конструкції спеціальних цангових затискачів для використання в автомобільній та ін. галузях промисловості, що розширює область застосування традиційних цанг.

На ТОВ ОСП "Корпорація Ватра" випробувано ШЦП з покращеними пружними і демпфуючими властивостями з відхиленням діаметру затиску заготовок до 3-4 мм.

Результати дисертації використовуються в навчальному процесі на кафедрі “Конструювання верстатів та машин” НТУУ “КПІ” в курсі “Верстати з ЧПК та верстатні комплекси”, „Верстати автомати і автоматичні лінії”, „Теорія і практика технічної творчості”, „Математичне моделювання металорізальних верстатів”.

Особистий внесок дисертанта полягає у проведенні літературно-патентного аналізу відомих вітчизняних і зарубіжних конструкцій цангових патронів, теоретичних і експериментальних досліджень, визначенні пружно-дисипативних характеристик патрона гістерезисного типу та його комплексному описі у розробленій математичній моделі, в результаті розроблено нову математичну модель коливального процесу системи шпиндель-патрон-деталь; багатофакторному плануванні експерименту, в результаті чого отримано математичну модель апроксимації результатів досліджень, проведенні експериментальних досліджень, обробці результатів, отриманні залежностей для ШЦП та традиційного цангового патрона. Постановка задач, аналіз і трактування наукових результатів виконані разом з науковим керівником. Основні результати роботи отримані самостійно. У патентах на винаходи та корисні моделі, отриманих у співавторстві частка кожного із авторів є рівноцінною. В опублікованих у співавторстві працях, дисертанту належать основні ідеї проведених досліджень і наукове обгрунтування основних теоретичних положень.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати роботи доповідались і обговорювались на 10 наукових та науково-технічних конференціях: 3-ій Всеукраїнській науково-практичній конференції “Український технічний музей: історія, досвід, перспективи” (2004р., м. Київ), IV – V всеукраїнській молодіжній науково-технічній конференції “Машинобудування України очима молодих: прогресивні ідеї – наука - виробництво” (2004р., м. Київ, 2005р., м. Суми); Шестой ежегодной Промышленной конференции с международным участием и блиц-выставки “Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях” (2006г., п. Славское, Карпаты) ІІІ –IV Всеукраїнській науковій конференції “Актуальні питання історії техніки” (2004, 2005р., м.Київ); Науково-технічній конференції "Гідроаеромеханіка в інженерній практиці" (2006р., м.Київ); 8-му міжнародному симпозіумі українських інженерів-механіків у Львові (2007 р., м. Львів); VIII—ій міжнародній конференції „Прогресивна техніка і технологія - 2007” (2007 р., м. Севастополь); VIII—ій науково-технічній конференції АС ПГП „Промислова гідравліка і пневматика” (2007 р., м. Мелітополь).

Публікації за матеріалами дисертації. Основні результати роботи викладені у 19 друкованих роботах, з них 6 статей у фахових виданнях, 9 патентах України.

Структура і обсяг роботи. Дисертаційна робота складається із вступу, 4-ох глав, загальних висновків, списку літератури із 150 найменувань і 12 додатків. Основний зміст роботи викладено на 180 друкованих сторінках, містить 114 рисунків, 10 таблиць.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

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

У першому розділі визначено проблему необхідності створення широкодіапазонних затискних механізмів, розглянуто ієрархічну структуру цангового затискного механізму. Проаналізовано способи закріплення. Окреслено область використання та галузі застосування цангових затискних механізмів. Приведено критерії широкодіапазонності та швидкопереналагоджування цангових патронів по розміру, формі і т.д.

На основі проведених патентно-інформаційних досліджень представлена динаміка патентування затискних цангових патронів.

Проведено аналіз існуючих методик розрахунку характеристик і параметрів цангових патронів. Дослідженням та синтезом затискних механізмів з розширеними технологічними можливостями займались А.М. Дальський, М.Л. Орліков, В.Б. Ільицький, Ю.М.Кузнєцов та його учні В.М. Ахрамович, А.А. Вачев, В.Н. Волошин, В.Г. Кушик, О.В. Литвин, П.М. Неделчева, Р.Г. Редько, В.І. Сидорко, та ін.

На підставі проведеного аналізу обґрунтовано мету і завдання наукових досліджень.

У другому розділі проведено теоретичні дослідження динамічної системи шпиндель-патрон-деталь. Для визначення жорсткості і аналізу пружної системи шпиндель – ШЦП – деталь конструкцію ШЦП представляємо у вигляді пружно-фрикційного шарніру, який характеризується трьома складовими жорсткості (радіальної Ср, поворотної Сп, осьової Со), коефіцієнтом демпфування Н та моментом тертя М (рис. 1).

Диференціальне рівняння повороту прутка, затиснутого в ШЦП буде:

(1)

Рис. 1. Розрахункова схема динамічної системи шпиндель-ШЦП-деталь

де - момент інерції прутка відносно точки 0; Н – коефіцієнт демпфування; - поворотна жорсткість; - момент сухого тертя; - момент сил різання; - коливання моменту сил різання; - частота поперечних коливань прутка; - час; - фазовий кут зсуву; - момент неврівноваженого зміщення, - кут повороту заготовки, затиснутої в патроні.

Для математичного опису параметру радіальної жорсткості патрона використана математична модель у вигляді квазістатичного випадкового процесу. При цьому прийнято, що математичне сподівання змінюється залежно від полярного кута ?, а дисперсія не залежить від зміни кута ?. Відповідно даній моделі радіальна жорсткість цангового патрону визначається залежністю:

де mc – математичне сподівання, ?с – випадкові зміни жорсткості в перерізі, що являють собою гаусівський випадковий процес із постійною дисперсією.

Для моделювання випадкових змін жорсткості використано канонічний розклад випадкового процесу ?с по системі синусоїдальних функцій.

Математичне сподівання радіальної жорсткості описано полігармонічним процесом. Відповідно залежність радіальної жорсткості від полярного кута ? набуде наступного виду

де аk, ?k – амплітуди і початкові фази гармонік, які описують математичне сподівання радіальної жорсткості; un, vn – випадкові величини з нормальним законом розподілу з дисперсією ?сr2.

Розроблена методика дослідження, яка базується на тому, що в полігармонічному законі головною є гармоніка з номером 3 (цанга має симетрію по трьох вісях). Суттєвою є гармоніка з номером 6, яка приблизно відповідає точкам контакту країв губок цанги із деталлю. Заготовка має суттєві похибки форми, які відповідають ексцентричності і овальності перерізу заготовки. Тому суттєвою гармонікою є друга, що визначає овальність перетину заготовки.

Проведено математичне моделювання процесу контактної взаємодії заготовки. Процес описує закономірності контакту двох реальних деталей: заготовки і губки цанги.

З метою перевірки теоретичного складеного рівняння і підтвердження правомірності прийнятих припущень розроблено на основі рівняння розрахункову процедуру в пакеті Matlab. В процесі досліджень визначена динамічна характеристика процесу деформування. Статична характеристика процесу описує повільні усталені процеси. Динамічна характеристика відповідає швидкій зміні, враховує швидкість його зміни і інші зміни (похідні). Динамічна характеристика процесу формується як лінійна частина загальної моделі. Теоретичною основою побудови моделі є лінеаризація загальної характеристики за допомогою ряду Тейлора: , , , . Здійснено вибір апроксимуючої залежності петлі гістерезису у вигляді тангенса гіперболічного.

В результаті проведених досліджень сформована загальна залежність жорсткості від параметрів патрона

(2)

Розроблено пружно-деформаційні моделі традиційного (з одноконтурним замиканням) та широкодіапазонного (з двоконтурним замиканням) цангових патронів (рис. 2, 3).

Рис. 2. Розрахункова схема традиційного

цангового патрона | Рис. 3. Розрахункова схема широкодіапазонного

цангового патрону

В розрахунковій схемі (рис. 3) враховано наявність проміжних затискних елементів і відповідно контактних груп.

Знайдено матриці жорсткості К цих патронів, які зводяться до наступного вигляду:

Складові матриці [К] будуть визначатись залежностями:

; ;

; ;

;

де для патрона з одноконтурним з’єднанням , ;

для патрона з двоконтурним з’єднанням

, ,

j – номер контактної групи ІІ-го контуру, приєднаної до і-ї пружної опори І-го контуру;

? – кут розміщення пружних опор j-ї контактної групи.

За значеннями складових матриці К для заданого закону навантаження F здійснюється розрахунок пружних зміщень ?:

?=[K]-1? F

де F=(Px, Py, Mx, My)T - вектор узагальнених навантажень;

?=(?x, ?y, ?, ?)T, ?x, ?y – малі зміщення заготовки в напрямку осей OX, OY; ?, ? – малі кути повороту заготовки навколо осей OX, OY.

Розроблена спеціальна методика експериментального визначення жорсткості окремих контактних груп трипелюсткової цанги. Для цього цангу навантажують в трьох положеннях в напрямку кожної із пелюсток (рис. 4 ).

Для кожного положення визначають пружні зміщення ?хі і ?і від сил Рхі і моментів Муі. Відповідно до цього радіальні і кутові жорсткості будуть визначатись залежностями:

; ;

; ; .

де ?хІ, ?хІІ, ?хІІІ – експериментально отримані значення радіальних зміщень при дії сил РхІ, РхІІ, РхІІІ для трьох положень цанги (рис. 4), ?І, ?ІІ, ?ІІІ – експериментально отримані значення малих кутів повороту при дії моментів МуІ, МуІІ, МуІІІ для трьох положень цанги.

Розв’язок системи цих рівнянь дає значення жорсткостей контактних груп.

Рис. 4. Схеми навантажень цангового механізму

Для перевірки адекватності аналітичних розв’язків проведено твердотільне моделювання конструкції методом кінцевих елементів, де оцінено вплив діючих навантажень на їх напружено-деформований стан. Порівнюючи напруження по Мізесу і дотичні напруження в ШЦП (рис.5), які виникають при затиску заготовок максимального і мінімального діаметру, встанволено, що максимальні напруження в корені пелюстка (защімленні) основних і додаткових затискних елементів, причому циліндричний отвір викликає максимальні напруження в додаткових затискних елементів.

а б

Рисунок 5 – Напруження ШЦП по Мізесу (а) і дотичні напруження які виникають в цанзі (б)

У третьому розділі об’єктами порівняльних експериментальних досліджень є традиційний ЦП (рис.6, а, б) і ШЦП з одинарною мультиплікацією (рис.6, в, г). Традиційний ЦП містить корпус 1 з пружними пелюстками 2 виконаними як одне ціле з губками 3 – основними затискними елементами, до яких гвинтами 4 прикріплені змінні накладки 5. ШЦП містить корпус 1, основні 2 і додаткові 3 затискні елементи – губки з пелюстками. До додаткових губок 3 з середини гвинтами 4 прикріплені пластини 6, що містяться в прорізях між ними, змінні накладки 5.

Рис. 6 – Традиційний (а, б) і широкодіапазонний (в, г) цангові патрони ТРВ мод. 1В340Ф30: а, в – поздовжній розріз, б, г – загальний вигляд

За розробленими методиками проводились дослідження силових характеристик, характеристик жорсткості та точності (радіальної, осьової), та аналіз впливу на них різних факторів, зокрема зміни діаметру затискуваної заготовки (?d=4мм) ШЦП з мультиплікацією без зміни накладок та порівняння їх з характеристиками, отриманими при дослідженні традиційного ЦП.

Вимірювання радіальних відтискань оправки відносно шпинделя проводилось на експериментальному стенді на базі токарно-револьверного верстату мод. 1А340Ц, де закріплено спеціальний навантажувальний пристрій (рис.7).

Рис. 7–Схема вимірювань радіальних відтискань оправки відносно шпинделя на експериментальному стенді: 1 – спеціальний навантажувальний пристрій; 2 – динамометр камертонного типу; 3 – ШЦП; 4 – оправка; 5 – індикатори

Для отримання емпіричної моделі пружних відтискань системи П-Д розроблено повний чотирьохфакторний план експерименту. Визначено, що основними факторами є: діаметр затискуваної заготовки ; тиск в гідросистемі ; кутове положення цанги ; величина навантаження . Вибрані рівні та інтервали варіювання представлені в табл. .

В якості моделі для апроксимації результатів експерименту прийнято поліном другого порядку:

де - вихідний параметр (жорсткість);

- керовані фактори, що впливають на відгук системи;

- коефіцієнти рівняння регресії.

Таблиця 1. Рівні факторів та інтервали варіювання

№ п/п | Фактори | Рівні факторів | Інтервал варіювання

нижній

-1 | основний

0 | верхній

+1

1 | діаметр оброблюваної заготовки, мм | 47 | 48,5 | 50 | 1,5

2 | тиск в гідросистемі, МПа | 1 | 1,5 | 2 | 0,5

3 | кутове положення цанги, град. | 0 | 30 | 60 | 30

4 | величина навантаження, кН | 1 | 3 | 5 | 2

Аналіз результатів експерименту здійснювався на ЕОМ за допомогою пакету прикладних програм Statistiсa. Аналіз експериментальних даних проводився за допомогою спеціального модуля, де в якості залежної змінної виступає вихідна величина жорсткість, а в якості змінних – фактори , , , . Із таблиці дисперсійного аналізу визначили, що найбільший вплив на відгук системи чинить такий статистично значимий ефект як діаметр затиску. Для нього рівень довірчої ймовірності менше 0,05.

Модель апроксимації результатів експерименту:

На основі аналізу поверхонь відгуків (рис. ) можна зробити висновок, що із збільшенням величини діаметра закріплюваної заготовки () жорсткість ШЦП збільшується, що пояснюється

Рис. . Поверхні відгуку при зміні факторів: а) та при =300, =3 кН; б) та при =48,5 мм, =1,5 МПа

збільшенням кута охоплення заготовки губками цанги. При збільшенні тиску в гідросистемі () жорсткість теж зростає, що пояснюється збільшенням сили затиску. Кут повороту цанги () має специфічний вплив на жорсткість, що зв’язане з конструктивними особливостями ШЦП. Найвища жорсткість при куті біля 00, тобто коли навантаження прикладене навпроти середини губки цанги. Із зростанням величини навантаження () жорсткість падає, що пояснюється збільшенням відтискань в системі патрон-деталь. Тому для отримання більшої жорсткості необхідно збільшувати фактори та , зменшувати фактор , а фактором керувати в залежності від необхідної величини.

При двохсторонньому навантаженні оправки для визначення зони нечутливості та демпфуючих властивостей системи проводили порівняльні дослідження для ШЦП і традиційної цанги. На основі результатів вимірювання при навантаженні заготовки з двох сторін силами +Рр і –Рр побудовані діаграми відтискань у вигляді петлі гістерезису. Приклад такої діаграми поданий на рис.9.

Враховуючи, що площа епюри відтискань (петлі гістерезису) (рис.9) чисельно рівна роботі, що затрачена на пружні деформації цангового патрона, можна прийняти роботу деформації Ап за критерій визначення якості затиску прутка. Визначено мінімальний коефіцієнт демпфування ?, за величиною якого судять про демпфуючі властивості патрона.

Рис. 9 – Діаграми радіальних відтискань оправки, затиснутої в ШЦП (1) і в традиційній цанзі (2) при тиску в гідроприводі 2 МПа і кутовому положенні цанги 300

Таблиця 2. Величина коефіцієнтів демпфування ШЦП і традиційної цанги

Умови навантаження

ШЦП | традиційна цанга

p, МПа | , 0

1 | 0 | 0,585 | 0,499

1,5 | 0 | 0,794 | 0,492

2 | 0 | 0,865 | 0,412

1 | 30 | 0,606 | 0,486

1,5 | 30 | 0,875 | 0,228

2 | 30 | 1,159 | 0,351

1 | 60 | 0,904 | 0,457

1,5 | 60 | 0,799 | 0,235

2 | 60 | 0,904 | 0,229

За допомогою ЕОМ було обчислено площі гістерезисів і, відповідно, коефіцієнт демпфування. Величини коефіцієнтів демпфування ШЦП і традиційної цанги при різних варіантах навантаження та діаметрі затиснутої заготовки 50 мм подані в табл. .

Величина коефіцієнта демпфування (рис. 9, табл..2) в залежності від умов навантаження становить для традиційної цанги (0,228-0,499), для ШЦП (0,585-1,159), що майже вдвічі більше, і свідчить про високі пружно-демпфуючі властивості ШЦП за рахунок наявності додаткових стиків (проміжних затискних елементів та пластин) в замкненому силовому контурі.

Розроблена методика експериментального визначення динамічної характеристики процесу демпфування, за якою визначались частоти вільних коливань оправки та логарифмічний декремент коливань оправки затиснутої в цанговому патроні (рис. 10).

Рис. 10 – Схема вимірювань динамічної характеристики процесу деформування | Рис. 11 – Часова діаграма кутових коливань оправки нормована до максимальної амплітуди

При визначенні власних частот коливань оправки 1 (рис. ) затиснутої в ШЦП 2 вимірювання виконують датчиком віброприскорення 3 в площині перпендикулярній напрямним станини паралельно напрямку Ру сили різання. Імпульсний вплив на об'єкт вимірювання здійснюється навантаженням одиничним східчастим впливом, який задається руйнуванням дроту 4, попередньо навантаженого зусиллям Р0, яке контролюється динамометром 5 та одночасно записувались вільні затухаючі коливання в напрямку осі у.

При дослідженні вимушених коливань за керовані параметри приймаються виліт оправки L, кут повороту цанги відносно площини прикладення складової Ру сили різання і зусилля ?1, що розвиває гідроциліндр затиску T?.

Результатом вимірювання є часова діаграма коливань (перехідний процес) представлений на рис. . Обробка результатів вимірювань здійснювалась шляхом апроксимації перехідної характеристики функції спеціального виду. Результати представлені на рис. 12.

Коефіцієнти апроксимуючої функції використані для визначення силової характеристики процесу демпфування у вигляді:

На основі рівняння (1) створена розрахункова процедура в пакеті Matlab. Модель включає

Рис. 12 – Апроксимація перехідної характеристики вільних коливань заготовки затиснутої в ШЦП

блоки визначення радіальної жорсткості динамічної системи (2) та силової характеристики процесу демпфування.

Вихідними даними моделі є кут розвороту прутка у пружно-фрикційному шарнірі, який являє собою ШЦП (рис. 13).

Рис. 13 – Результат розрахунку кута повороту прутка при обробці прутка 10.8 мм, n=1180 об/хв, s=0.01 мм/об (а) та розрахункова форма перерізу заготовки на відстані 3 мм (б)

Для перевірки адекватності моделі використано порівняння розрахункових та виміряних експериментально спектрограм перерізів оброблюваної заготовки (рис. 14). Із аналізу спектрограм видно, що розбіжність між ними складає близько 10 %, що вказує на адекватність розрахункової процедури системи програмування для математичної моделі кута повороту прутка в ШЦП.

Рисунок 14 – Спектрограми перерізів (відповідно А – 0, С – 1, В – 2 оброблюваної заготовки а – розрахункова, б – виміряна екпериментально

В четвертому розділі розглянуто перспективи розвитку ШЦП. Представлено розвиток технічних ідей по створенню нових конструкцій цангових широкодіапазонних цангових патронів.

Для прогнозування використовується математична модель з поліномом четвертого степеня. Це дозволяє відобразити процес розвитку широкодіапазонності з високим ступенем точності. Складність моделі є адекватною складності процесу. На основі розробленої диференціально-поліномної моделі проведено прогноз розвитку затискних патронів по показнику широкодіапазонності (рис.15). Вихідні дані для прогнозу сформовані на основі статистичної інформації про конструкції цангових патронів, які мали наближення до ШЦП з 1950 по 2005 роки.

Рис. 15 – Прогноз росту широкодіапазонності

Згідно прогнозу ріст широкодіапазонності починаючи з 90-го призупиняється і далі навіть трохи зменшується (ШЦП деградує). Та починаючи з 2010 року і далі починається швидкий ріст. Так, в 2020 році показник широкодіапазонності досягне 4,3мм. Це вказує на перспективність дослідження, конструювання і розвитку нових конструкцій затискних патронів в напрямку збільшення широкодіапазонності.

Для пошуку нових рішень ШЦП при модернізації і створенні нових токарних автоматів виділимо основні конструктивні елементи – ознаки патрона, обмежившись умовами (рис.16,а): об’єкт закріплення – пруток; зв'язок зі шпинделем зі сторони основних додаткових елементів; затиск одинарний. Для системи привід затиску - патрон ШЦП - об’єкт закріплення будуємо граф ШЦП з внутрішніми і зовнішніми зв’язками (рис. 16,б).

Рис. 16 – Конструктивні функціональні елементи ШЦП (а) і граф ШЦП та зовнішні зв’язки (б)

Виходячи із графа взаємодій і аналізуючи властивості патрона, побудовано морфологічну таблицю схем ШЦП з одинарною мультиплікацією з покращеними демпфуючими властивостями, ознаками в якій є форма та матеріал основних затискних елементів (ОЗЕ), допоміжних затискних елементів (ДЗЕ), проміжних елементів (ПЕ), пелюсток та зв’язки між ОЗЕ-ПЕ, ОЗЕ-пелюстка, ОЗЕ-ДЗЕ і ДЗЕ-пелюстка. Морфологічна таблиця у вигляді морфологічної матриці в розвернутому числовому виді:

МШЦП=.

Загальна кількість можливих і неможливих конструктивних схем ШЦП

NШЦП = =3732480 шт.

Приведена методика проектування ШЦП. Запропоновано нові конструкції ШЦП з перспективою подальшого розвитку і використання цангових механізмів (патронів), в т.ч. для високошвидкісної і прецизійної обробки. Для розширення галузі використання затискних цанг, запропонованого конструкції затискачів з цангою для затиску об’єктів, що складаються з двох частин, наприклад буксировочних канатів і тросів.

ЗАГАЛЬНІ ВИСНОВКИ

1. У дисертації вирішено важливу науково-технічну задачу, яка пов’язана з розширенням технологічних можливостей токарних верстатів і підвищення продуктивності і якості обробки за рахунок дослідження та прогнозування меж використання ШЦП з покращеними пружно-демпфуючими властивостями.

2. Вперше встановлено характер зміни радіальної жорсткості патрона по куту повороту, і визначено, що детермінована складова зміни жорсткості відповідає полігармонічному процесу із суттєвими третьою, шостою та другою гармоніками, а випадкова складова є квазістатичним по куту повороту сили процесом із законом розподілу, близьким до нормального.

3. Розроблено математичну модель коливального процесу системи шпиндель-патрон-деталь, де враховано пружно-демпфуючі характеристики цієї системи, що дозволяє комплексно оцінювати вплив демпфуючих і пружних властивостей контактних груп цангового механізму на рівень коливань заготовки.

4. Вперше на основі пружно-деформаційної моделі розроблено методику визначення дійсних значень згинних і кутових жорсткостей контактних груп цангового механізму за результатами вимірювання пружних зміщень.

5. Порівняльні випробування традиційних ЦП і ШЦП засвідчили, що стабільність характеристик ШЦП в 1,2-1,3 рази вища ніж в традиційного цангового патрона при вимірюванні осьового відтягування і сили проштовхування, стабільність моменту прокручування в 1,8 та радіального биття в 1,2 рази менша в ШЦП ніж традиційному ЦП, що дозволяє розробленим конструкціям ШЦП для ТРВ надійно затискати прутки з відхиленням діаметру 3-4мм.

6. Експериментально визначено високі пружно-демпфуючі властивості ШЦП за рахунок наявності додаткових стиків (проміжних затискних елементів та пластин) в замкненому силовому контурі

7. В результаті порівняння теоретичних та експериментальних даних встановлено, що суттєвими частотами похибок обробки є 300..400 Гц, резонансні області 800...900; 1400; 1700; 2000 Гц, ширина спектральної полоси 900..1000 Гц, високочастотні резонанси 700; 900; 2000; 3400; 3800 Гц, суттєві гармоніки з частотами менше 500Гц, резонансні області 900; 1400; 1700; 2000 Гц, ширина спектральної полоси 2000 Гц, високочастотні резонанси 3400; 3800 Гц.

8. Проведено прогноз розвитку ШЦП по показнику широкодіапазонності, який вказує на перспективність дослідження, конструювання і розвитку нових конструкцій цангових патронів в напрямку збільшення широкодіапазонності.

9. Синтезовано методом морфологічного аналізу нові конструкції ШЦП на рівні винаходів і корисних моделей, захищені патентами України.

10. Результати роботи передані для впровадження ТОВ ОСП "Корпорація Ватра".

Список опублікованих робіт з теми дисертації

1. Юрчишин О.Я. Становлення і розвиток наукової школи по створенню затискних механізмів в НТУУ “КПІ” // Дослідження з історії техніки: Зб.наук.пр. – К.: ІВЦ “Видавництво “Політехніка” – 2004. – Вип. 5. – С. 144-151.

2. Юрчишин О.Я. Виникнення та еволюція цангових затискних механізмівДослідження з історії техніки: Зб.наук.пр. – К.: ІВЦ “Видавництво “Політехніка” – 2005. – Вип. 6. – С. 78-85.

3. Кушик В.Г., Юрчишин О.Я. Затискні патрони з широким діапазоном затискуваних заготовок // Технологія і техніка друкарства: Зб.наук.пр. – 2004 – №4. –– С. 97-105.

Розроблено морфологічну таблицю пошуку нових конструкцій ШЦП різних типів.

4. Кузнєцов Ю.М., Кушик В.Г., Юрчишин О.Я., Ковальчук Р.І. Порівняльні експериментальні дослідження характеристик цангових затискних патронів токарно-револьверного верстату з ЧПК // Вісник КПІ, серія машинобудування: Зб.наук.пр. – 2006. - №48. – С.143-148.

Приведено результати порівняльних експериментальних досліджень широкодіапазонного цангового патрона з одинарною мультиплікацією і традиційної цанги на спеціальному лабораторному стенді.

5. Кузнєцов Ю.М., Юрчишин О.Я. Вплив факторів на пружно-демпфуючу систему “широкодіапазонний цанговий патрон – деталь” // Промислова гідравліка і пневматика. – Вінниця. – 2007. - №1.

За допомогою багатофакторного планування експерименту на ЕОМ запропоновано математичну модель апроксимації результатів досліджень.

6. Струтинський В.Б., Юрчишин О.Я. Визначення динамічних властивостей токарно-накатного верстата при дії експлуатаційних навантажень // Наукові нотатки Міжвузівський збірник за напрямком “Інженерна механіка”.–Випуск 20.–2007.–С.495-497.

Розраховано динамічну похибку обробки по знайдених передавальних функціях.

7. Патент України №73045, МПК В23В31/30, В23В31/10. Гідромеханічний затискний патрон / Кузнєцов Ю. М, Гуменюк О.А., Юрчишин О.Я.– №2004031960; Заявл. 16.03.04; Опубл. 16.05.2005, Бюл. №5.

8. Патент України №8597, МПК В23В31/20, В23В13/00. Затискна цанга / Киричок П.О., Кушик В.Г., ОлійникВ.Г., Юрчишин О.Я. – №200500259; Заявл. 11.01.05; Опубл. 15.08.2005, Бюл. №8.

9. Патент України №8598, МПК В23В31/20, В23В13/00. Затискна цанга / Киричок П.О., Кушик В.Г., ОлійникВ.Г., Юрчишин О.Я. – №200500260; Заявл. 11.01.05; Опубл. 15.08.2005, Бюл. №8.

10. Патент України №9254, МПК В23В13/00. Механізм затиску і подачі прутка / Кузнєцов Ю. М, Кушик В.Г, Юрчишин О.Я.– №200501976; Заявл. 03.03.05; Опубл. 15.09.2005, Бюл. №9.

11. Патент України №9627, МПК В23В31/20. Затискний патрон / Кузнєцов Ю. М, Кушик В.Г, Волошин В.Н., Юрчишин О.Я.– №200500992; Заявл. 03.02.05; Опубл. 17.10.2005, Бюл. №10.

12. Патент України №9804, МПК В23В13/00. Механізм затиску пруткового матеріалу / Кузнєцов Ю. М, Кушик В.Г, Ковальчук Р.І, Юрчишин О.Я. – № 200503140; Заявл. 05.04.05; Опубл. 17.10.2005, Бюл. №10.

13. Патент України №9806, МПК В23В31/20. Затискний патрон / Кузнєцов Ю. М, Кушик В.Г, Юрчишин О.Я.– №200503143; Заявл. 05.04.05; Опубл. 17.10.2005, Бюл. №10.

14. Патент України №18491, МПК В23В31/20, В60Т17/00. Цанговий затискач / Кузнєцов Ю. М, Юрчишин О.Я.– №u200604714; Заявл. 27.04.06; Опубл. 15.11.2006, Бюл. №11.

15. Патент України №18492, МПК В23В31/20, В60Т17/00. Цанговий затискач / Кузнєцов Ю. М, Юрчишин О.Я. – №u200604715; Заявл. 27.04.06; Опубл. 15.11.2006, Бюл. №11.

16. Юрчишин О.Я. Наукова школа по створенню затискних механізмів в НТУУ “КПІ” // Матеріали 3-ї Всеукраїнської науково-практичної конференції “Український технічний музей: історія, досвід, перспективи” / 20-21 травня 2004р., Київ, С. 108-110.

17. Юрчишин О.Я. Вплив широкодіапазонності на конструкцію цангових затискних механізмів // Тези доповідей Четвертої всеукраїнської молодіжної науково-технічної конференції “Машинобудування України очима молодих: прогресивні ідеї – наука - виробництво” / 1 – 4 листопада 2004р., Київ. –– С. 64-65.

18. Юрчишин О.Я. Дослідження характеристик широкодіапазонних цангових патронів з одинарною мультиплікацією для токарно-револьверних верстатів з ЧПК // Тези доповідей п’ятої Всеукраїнської молодіжної науково-технічної конференції “Машинобудування України очима молодих: прогресивні ідеї – наука - виробництво” / 26-29 жовтня 2005р., Суми. –– С. 101-102.

19. Юрчишин О.Я. Експериментальні дослідження характеристик широкодіапазонних цангових патронів для токарно-револьверних верстатів з ЧПК // Материалы Шестой ежегодной Промышленной конференции с международным участием и блиц выставки “Эффективность реализации научного, ресурсного и промышленного потенциала в современных условиях” / 20-24 февраля 2006г., п. Славское, Карпаты. – С.405.

Анотація

Ючишин О. Я. Пружно-демпфуючі характеристики та прогнозування меж використання широкодіапазонних цангових патронів. – 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, 2008.

Дисертація присвячена дослідженню пружно-демпфуючих характеристик та прогнозуванню меж використання ШЦП з мультиплікацією для токарних верстатів.

На основі аналізу досягнень науки і техніки проведено дослідження відомих конструкцій ШЦП та існуючого стану методик їх досліджень. Проведено теоретичні дослідження динамічної системи шпиндель-ШЦП-деталь, розроблено методики експериментальних досліджень для визначення пружно-дисипативних властивостей затискних цангових патронів різних типів. Розроблено математичну модель пружної системи “шпиндель-патрон-деталь” з врахуванням коефіцієнту демпфування та модель процесу контактної взаємодії заготовки для існуючих і нових конструкцій ШЦП.

Проведено експериментальні дослідження та промислове випробування конструкцій ШЦП з покращеними демпфуючими властивостями. Розроблено план експерименту за чотирма факторами і на основі експериментальних даних отримано математичну модель пружних відтискань системи П-Д. Експериментальні вимірювання динамічної характеристики процесу демпфування проводились за визначенням частот вільних коливань оправки та визначенні логарифмічних декрементів коливань оправки затиснутої в цанговому патроні.

Здійснено наукове прогнозування розвитку затискних механізмів по критерію широкодіапазонності з використанням патентної інформації і статистичних методів прогнозування. Методом морфологічного синтезу за поєднанням альтернатив отримано нові конструкції широкодіапазонних цангових патронів на рівні винаходів та корисних моделей, захищених патентами України.

Ключові слова: затискний механізм, затискний патрон, цанговий патрон, широкодіапазонний цанговий патрон, затискний елемент, коефіцієнт демпфування, математична модель, стохастичний процес, технічна система.

Аннотация

Юрчишин О. Я. Упруго-демпфирующие характеристики и прогнозирование границ использования широкодиапазонных цанговых патронов. – Рукопись.

Диссертация на получение научной степени кандидата технических наук по специальности 05.03.01 – "Процессы механической обработки, станки и инструменты", Национальный технический университет Украины "Киевский политехнический институт", Киев, 2008.

Диссертация посвящена исследованию упруго-демпфирующих характеристик и прогнозированию границ использования ШЦП с мультипликацией для токарно-револьверных станков.

На основе анализа достижений науки и техники проведено исследование известных конструкций ШЦП и существующего состояния методик их исследований.

Проведены теоретические исследования динамической системы шпиндель-ШЦП-деталь. Для математического описания параметра радиальной жесткости патрона использована математическая модель в виде квазистатического случайного процесса. Разработана математическая модель упругой системы “шпиндель-патрон-деталь” с учетом коэффициента демпфирования и модель процесса контактного взаимодействия заготовки для существующих и новых конструкций ШЦП.

Для моделирования случайных изменений жесткости использовано каноническое разложение случайного процесса ?с по системе синусоидальных функций.

Математическое ожидание радиальной жесткости описано полигармоническим процессом.

Разработаны упруго деформационные модели традиционного (с одно контурным замыканием) и широкодиапазонного (с двухконтурным замыканием) цанговых патронов.

Разработана специальная методика экспериментального определения жесткости отдельных контактных групп трёхлепестковой цанги. Для этого цангу нагружают в трех положениях в направлении каждого из лепестков.

Для проверки адекватности аналитических решений проведено твердотельное моделирование конструкции методом конечных элементов, для оцененки влияния действующих нагрузок на их напряженно деформированное состояние.

Проведены экспериментальные исследования и промышленное испытание конструкций ШЦП с улучшенными демпфирующими свойствами.

За разработанными методиками проводились исследования силовых характеристик, характеристик жесткости и точности (радиальной, осевой), и анализ влияния на них разных факторов, в частности изменения диаметра зажимаемой заготовки (?d=4мм) ШЦП с мультипликацией без изменения накладок и сравнения их с характеристиками, полученными при исследовании традиционного цангового патрона.

Разработан план эксперимента за четырьмя факторами и на основе экспериментальных данных получена математическая модель упругих отжатий системы П-Д. На основе результатов измерения при нагрузке заготовки с двух сторон силами +Рр и –Рр построены диаграммы отжатий в виде петли гистерезиса. Учитывая, что площадь эпюры отжатий (петли гистерезиса) численно ровна работе, которая затрачена на упруго-пластические деформации цангового патрона, принято роботу деформации за критерий определения качества зажима прутка. Определенно минимальный коэффициент демпфирования, за величиной которого судят о демпфирующих свойства патрона.

Экспериментальные измерения динамической характеристики процесса демпфирования проводились по определению частот свободных колебаний оправки и определении логарифмических декрементов колебаний оправки зажатой в цанговом патроне. Определено повышение упруго-демпфирующих свойств ШЦП в сравнении с традиционным цанговым патроном приблизительно в два раза.

Осуществлено научное прогнозирование развития зажимных механизмов по критерию широкодиапазонности с использованием патентной информации и статистических методов прогнозирования.

Выходя из графа взаимодействий и анализируя свойства патрона, построена морфологическая таблица схем ШЦП с одинарной мультипликацией с улучшенными демпфирующими свойствами, альтернативами в которой является форма и материал основных зажимных элементов, вспомогательных зажимных элементов, промежуточных элементов, лепестков и связи между ними. За сочетанием альтернатив получены новые конструкции широкодиапазонных цанговых патронов на уровне изобретений и полезных моделей, защищенных патентами Украины.

Результаты работы переданы для внедрения ТОВ ОСП "Корпорация Ватра".

Ключевые слова: зажимной механизм, зажимной патрон, цанговый патрон, широкодиапазонный цанговый патрон, зажимной элемент, коэффициент демпфирования, математическая модель, стохастический процесс, техническая система.

Annotation

Jurchishin O.J.

It is elastic- damping performances and prediction of boundaries of use of wide-range collet chuks. - Manuscript.

Dissertation on the receipt of scientific degree of candidate of technical sciences for specialities 05.03.01 are "Processes of tooling, to make up and instruments", National technical university of Ukraine the "Kiev polytechnic institute", Kiev, 2008.

The thesis is devoted examination is elastic- damping performances and to prediction of boundaries of use wide-range collet chuks with multiplication for lathes.

On the basis of the analysis of achievements of science and technology examination of known constructions wide-range collet chuks and an existing state of procedures of their examinations is carried out. Theoretical examinations of dynamic system a spindle- collet chuks -detail are carried out, procedures of experimental researches are developed for definition is elastic- damping properties of gripping sockets of different types. Taking into account damping coefficient and model of process