Харківський державний політехнічний університет

На правах рукопису

СОЛОХА ВАСИЛЬ ВАСИЛЬОВИЧ

УДК 621.9.06-187.4: 539.37

ПІДВИЩЕННЯ ТОЧНОСТІ ТОКАРНИХ АВТОМАТИЗОВАНИХ ВЕРСТАТІВ ШЛЯХОМ ЗМІНИ ВПЛИВУ УМОВ СТИКУВАННЯ БАЗОВИХ ВУЗЛІВ НА ТЕМПЕРАТУРНІ ДЕФОРМАЦІЇ

05.03.01 – процеси механічної обробки, верстати та інструмент

АВТОРЕФЕРАТ

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Харків – 1999

Дисертацією є рукопис

Робота виконана в Запорізькому державному технічному університеті

Науковий керівник: доктор технічних наук, професор

Внуков Юрій Миколайович, завідувач кафедри металорізальних верстатів і інструменту Запорізький державний технічний університет,

Офіційні опоненти: 1. Доктор технічних наук, професор

Кальченко Віталій Іванович, завідувач кафедри металорізальних верстатів і інструменту, Чернігівський технологічний університет

2. Кандидат технічних наук, доцент

Сєрховець Олег Іванович, доцент кафедри технології машинобудування та металорізальних верстатів, Харківський державний політехнічний університет

Провідна установа: Національний технічний університет України “КПІ”, кафедра ”Конструювання верстатів і машин” м. Київ

Захист дисертації відбудеться “ 30 “ березня 2000 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 64.050.12 при Харківському державному політехнічному університеті за адресою 61002, м. Харків, вул. Фрунзе, 21,

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці університету

Автореферат розісланий “ 25 “ лютого 2000 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради М. Д. Узунян

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Робота на верстатах з високими швидкостями супроводжується значним тепловиділенням в механізмах та системах верстата, що спричиняє до температурних деформацій елементів несучої системи. Під час обробки деталей на металорізальних верстатах похибки обробки, обумовлені температурними деформаціями, можуть зробити неможливим одержання деталей з необхідною точністю. Особливої ваги це питання набуває з використанням автоматизованого обладнання, що працює за наперед розробленою керуючою програмою (верстати-автомати та напівавтомати, верстати з ЧПК, багатоопераційні верстати). Температурна поведінка верстата визначається інтенсивністю теплоутворення і теплообміну елементів верстата з оточенням і спряженими деталями, геометрією елементів конструкції, накладеними зовнішніми зв'язками. Більшість цих факторів є керованими, їх можна прогнозувати на стадії проектування верстатів. Важливе значення для цього мають знання про поведінку стиків спряжених деталей, які в верстатних вузлах мають значні розміри. Стики впливають на теплообмін між деталями, накладені зовнішні зв'язки змінюють характер і значення температурних деформацій контактуючих деталей, особливо в площині стику. Існуючі залежності з теплопровідності враховують лише вплив мікровідхилень, що властиво для стиків малої площі, теплопровідність стиків значних розмірів досліджена мало. Спосіб фіксування шпиндельної бабки на станині, який визначає граничні умови на стику в розрахунках температурних деформацій, суттєво змінює величину і напрямок температурних зміщень осі шпинделя. Однак на сьогодні відсутні рекомендацій що до завдання граничних умов на стику і врахування впливу розміщення фіксуючих елементів на температурні деформації шпиндельних бабок.

Виходячи з цього актуальним є питання дослідження явищ, які спостерігаються в стиках базових деталях і їх впливу на теплову поведінку автоматизованих верстатів.

Мета роботи. Мета роботи – забезпечення умов підвищення точності токарних автоматизованих верстатів за рахунок зниження долі температурних деформацій в балансі точності.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі:

-виявлення джерел тепловиділення в токарних автоматах і впливу різних факторів на інтенсивність теплоутворення;

-дослідження впливу тепловиділення в різних джерелах на температурні зміщення вузлів;

-дослідження температурних зміщень вузлів верстата і їх впливу на точність обробки;

дослідження теплового опору зони контакту стикових спряжень верстатних вузлів з метою визначення впливу макрогеометрії поверхонь;

-виявлення впливу закріплення та схеми фіксації шпиндельної бабки на температурні зміщення шпинделя. Розробка рекомендацій з завдання граничних умов на стику при розрахунках температурних деформацій і застосування схем фіксації, що забезпечують мінімальні температурні зміщення шпинделя;

-вироблення рекомендацій, спрямованих на зниження впливу температурних деформацій елементів конструкції верстата на точність обробки на токарних автоматизованих верстатах.

Методика досліджень. Теоретичні дослідження проводились на базі основних положень теорії теплопередачі та термопружності з використанням сучасних числових методів вирішення задач визначення температурних полів та температурних деформацій. Експериментальні дослідження проводились з використанням сучасних вимірювальних та реєструючих приладів, які забезпечують необхідну точність.

Наукова новизна одержаних результатів.

-встановлено вплив макрогеометрії поверхонь контакту на теплопровідність середовища, що заповнює зону контакту. Запропонована залежність для визначення теплопровідності середовища в зоні контакту поверхонь з макровідхиленнями.

-встановлено вплив характеру макровідхилень на тепловий опір металевого контакту стикових з'єднань Запропоновано залежність для визначення теплопровідності металевого контакту з різним характером макровідхилень.

-визначено вплив закріплення та фіксування шпиндельної бабки на станині на величину і характер температурних зміщень шпинделя. Запропоновані граничні умови для розрахунків температурних деформацій шпиндельних бабок, які враховують закріплення і фіксування.

-розроблена методика визначення розміщення фіксуючих елементів, яке забезпечує оптимальні температурні зміщення шпинделя. Запропоновані варіанти схем фіксації з мінімальними горизонтальними зміщеннями.

Практичне значення одержаних результатів. Реалізація розроблених практичних рекомендацій і одержаних залежностей дає можливість:

знизити тепловиділення в шпиндельному вузлі, що суттєво зменшує температурні зміщення в зоні обробки;

знизити вплив температурних зміщень в горизонтальній площині (поперечних та осьових) на точність обробки на токарних автоматизованих верстатах;

підвищити точність розрахунків температурного поля верстатних вузлів за рахунок уточнення величин теплопровідності стиків з макровідхиленнями;

підвищення точності розрахунків температурних деформацій за рахунок використання уточнених граничних умов в площині стику.

Особистий внесок здобувача. Автором вдосконалені аналітичні залежності для визначення теплового опору стику, які враховують вплив характеру і величини макровідхилень контактуючих поверхонь. Розкрито вплив схеми фіксування та затяжки стику шпиндельна бабка – станина на характер та величину температурних зміщень осі шпинделя; розроблена методика визначення оптимального, з точки зору температурних деформацій, положення штифтів.

Запропоновані граничні умови на стику для розрахунку температурних деформацій шпиндельної бабки.

Апробація результатів роботи. Основні положення і результати роботи доповідались на наукових семінарах кафедри “Металорізальні верстати та інструмент” Запорізького державного технічного університету (1986 -1999 р. р.), засіданнях НТР ВАТ “Мелітопольський верстатобудівний завод” (1986 - 1997 р. р.), республіканських науково-технічних конференціях “Типові механізми та технологічне устаткування верстатів-автоматів, верстатів з ЧПК та ГВС” (травень 1991 р., м. Чернігів), “Поліпшення якості роботи промислових підприємств” (жовтень 1991 р., м. Луцьк), міжнародній науково-технічній конференції “Прогресивна техніка і технологія машинобудування, приладобудування і зварювального виробництва” (травень 1998 р. , м. Київ), міжнародна конференція “AMTECH '99” (червень 1999 р., м. Пловдів, Болгарія).

Публікації. Результати роботи опубліковані в 3 збірниках тез доповідей на конференціях та 9 статтях.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, загальних висновків, списку використаної літератури та додатку. Основна частина викладена на 159 сторінках і містить 65 рисунків і 3 таблиці. Список використаної літератури складається із 120 найменувань.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі обгрунтовано важливість і актуальність дисертації, викладено мету роботи та сформульовано основні наукові положення, які виносяться на захист, їх практичне значення та новизну.

У першому розділі розглянуто сучасний стан досліджень температурної поведінки верстатів і її впливу на точність обробки. Проведено аналіз основних джерел тепловиділення в верстатах. Особлива увага приділена тепловиділенню в шпиндельному вузлі, робота опор якого супроводжується інтенсивним тепловиділенням і температурні деформації якого безпосередньо впливають на точність оброблюваної деталі.

Проаналізовано граничні умови, за яких виконуються розрахунки температурного поля шпиндельних вузлів.

На підставі проведеного аналізу сформульовані основні напрямки роботи.

У другому розділі проведені експериментальні дослідження теплової поведінки токарно-револьверних автоматів. Досліджувався вплив тепловиділення в різних механізмах на температурне поле і температурні деформації автомата.

Одним з основних джерел тепловиділення в автоматі, яке в найбільшій мірі впливає на температурні зміщення в зоні різання є шпиндельні опори. На тепловиділення в опорі впливають частота обертання, спосіб мащення опори, властивості мастила та якість складання вузла. Зміна частоти обертання шпинделя з n=400 хв-1 до 5000 хв-1, в разі використання крапельної системи мащення мінеральним маслом “Турбінне Т-22” призводить до зростання надмірної температури зовнішнього кільця підшипника майже в 8 разів – для підшипника 3182110 і близько 4,5 рази - для підшипників 46209. Кількість мастила, що подається в опору, повинна бути такою, щоб забезпечити утворення масляної плівки, що розділяє поверхні елементів підшипника. Все зайве мастило спричиняє додаткове тертя, викликане перемішуванням мастила, а отже і ріст теплоутворення, що особливо помітно на підшипнику 3182110, в якому збільшення подачі мастила в опору з 0,1 мл/хв-1 до 1,5 мл/хв-1 призводить до зростання температури опори на 100 (рис.1).

Застосування пластичних мастильних матеріалів, які закладаються в опору на тривалий термін, може забезпечити утворення мастильної плівки і зниження температури опори. Найбільший ефект від застосування пластичних мастильних матеріалів спостерігається на високих частотах обертання шпинделя (на частотах 5000 хв-1 – 6000 хв-1 спостерігається зниження надмірної температури до 4 разів), на середніх і низьких частотах цей ефект дещо нижчий.

Рис.1. Вплив подачі мастила на тепловиділення в підшипнику 3182110.

Температурні деформації елементів несучої системи верстата викликають температурні зміщення в зоні різання, які призводять до похибок обробки. В верстатах, для мащення опор яких використовується рідке мастило, температурні зміщення сягають значних величин: в вертикальній площині – 34 мкм, в горизонтальній – 18 мкм, що не дозволяє використовувати ці верстати для одержання точних деталей. В автоматах з пластичним мащенням опор шпинделя температурні зміщення знижуються в 2 – 3 рази і в обох площинах складають 8 – 9 мкм, що за визначених умов може забезпечити одержання на автоматі деталей 8 квалітету точності.

Температурні зміщення шпиндельної бабки в горизонтальній площині значною мірою залежать від схеми розміщення штифтів, які фіксують шпиндельну бабку на станині. Результати експериментальних досліджень показують, що величина та напрямок зміщення осі шпинделя залежить від прийнятої схеми фіксації шпиндельної бабки. В залежності від прийнятої схеми фіксації температурні зміщення осі шпинделя відносно станини для автоматів, які працюють на пластичному мастилі, можуть змінюватись від +17 мкм – +18мкм до –12 мкм (знак ”+” – зміщення від оператора, знак “-“ - на оператора). Затяжка стику шпиндельної бабки і станини болтами зменшує величину зміщень не змінюючи напрямку (рис. 2).

Рис. 2. Залежність температурних зміщень від фіксації та закріплення на станині.

1- затяжка і штифти симетрично осі; 2 – затяжка без штифтів; 3 – штифти симетрично осі без затяжки; 4 – затяжка і штифти по один бік осі; 5 – штифти по один бік осі без затяжки.

Тепловиділення в коробці швидкостей, станціях мащення та охолодження, розміщених в основі верстата, впливають на зміщення в зоні різання опосередковано, через нагрівання основи і автомата зі значною затримкою в часі, що пов'язане з тепловою інерцією.

В третьому розділі представлені теоретичні і експериментальні дослідження теплопровідності зони контакту. Величина теплового опору стиків визначає інтенсивність теплообміну між елементами конструкції верстата і, як наслідок, характер теплового поля елементів конструкції і температурних деформацій цих елементів. Тепловий опір стиків виникає внаслідок недосконалості поверхонь, профіль яких відрізняється від ідеального внаслідок наявності на реальних поверхнях макро- і мікронерівностей. Такі поверхні контактуватимуть виступами мікронерівностей і реальна площа контакту складатиме дуже малу частку від номінальної.

Тепло через стик передається за рахунок теплопровідності середовища сер, що заповнює зону контакту, та через місця фактичного металевого контакту м

к=сер+м,

Теплопровідність прошарку середовища визначається коефіцієнтом теплопровідності речовини, що заповнює мікрозападини в зоні контакту, та еквівалентною товщиною прошарку середовища.

сер=сер/hе

Головна проблема в визначенні теплопровідності середовища пов'язана саме з визначенням еквівалентної товщини прошарку. Як показав аналіз теоретичних та експериментальних досліджень, більшість авторів визначають еквівалентну товщину прошарку , виходячи з параметрів мікрогеометрії

hе=h1+h2,,

де h1 і h2, - висота мікровиступів контактуючих поверхонь: максимальна, середня або висота згладжування в різних авторів.

Такий підхід цілком оправданий в разі контактування поверхонь незначних розмірів, коли вплив макрогеометрії не проявляється. Стики базових деталей верстатних вузлів мають значні розміри і уникнути впливу макрогеометрії на поведінку контакту неможливо.

Проведені експериментальні дослідження стиків поверхонь з макровідхиленнями показали значне зниження теплопровідності середовища в порівнянні з розрахунковими значеннями, одержаними виходячи з параметрів мікрогеометрії поверхонь. Для поверхонь контакту з досить грубою обробкою (параметр Rz>10 мкм) застосування формули для визначення теплопровідності середовища, яка враховує лише висоту мікровиступів, дає добрі результати. Але з підвищенням якості оброблюваної поверхні розходження розрахункових і експериментальних даних може бути значним.

В результаті обробки експериментальних даних з теплопровідності середовища сухих та мащених стиків шліфованих поверхонь одержана формула, яка дає можливість враховувати вплив макровідхилень на теплопровідність середовища

(4)

де K – коефіцієнт, який враховує вплив макровідхилень на теплопровідність середовища.

K=1,125(Wz/Rz)0.676, для поверхонь з незначною висотою мікровиступів і відхиленнями форми, які перевищують за величиною висоту мікровиступів.

K=1, для контакту поверхонь з досить грубою обробкою (Rz>10 мкм).

Розрахунок теплопровідності середовища за формулою (4) дає результати, які досить точно співпадають з експериментальними даними (рис. 3). Відхилення розрахункових даних від експериментальних не перевищують 12%.

Рис. 3. Порівняння розрахункових і експериментальних значень теплопровідності середовища.

1 – сталь 45 – сталь 45, ?Rz=26,2мкм; 2 – чавун СЧ15 – чавун СЧ15, Rz=9,4мкм, Wz=13,5мкм; 3 – чавун СЧ30 – чавун СЧ30, Rz=6,2мкм, Wz=5,8мкм; 4 – сталь 20Х – сталь 20Х, Rz=6,56мкм, Wz=10мкм; 5 - сталь 20Х – сталь 20Х, Rz=2мкм, Wz=7мкм; 6 - сталь 20Х - чавун СЧ30, Rz=4,4мкм, Wz=6,2мкм;

Поведінка сухих та мащених стиків суттєво відрізняється. В сухих стиках теплопровідність контакту змінюється зі зміною прикладеного тиску. За умов нульового тиску на контакті тепло передається за рахунок теплопровідності середовища. З прикладенням навантаження в передачі тепла через стик починає приймати участь металевий контакт і в міру зростання навантаження зростатиме теплопровідність металевого контакту.

В мащених стиках в разі початкового прикладення навантаження теплопровідність контакту, в межах дослідженого тиску (до 5*105 Н/м2), практично не змінюється, що свідчить про те, що поверхні контакту повністю розділені плівкою мастила, безпосередній металевий контакт відсутній і тепло через стик передається лише за рахунок теплопровідності середовища. В умовах повторного навантаження без додаткової подачі мастила в стик спостерігається зростання теплопровідності стику в міру зростання навантаження на стик, а теплопровідність контакту з нульовим навантаженням виявляється меншою за теплопровідність початкового навантаження, що свідчить про підсмоктування в стик повітря і появу безпосереднього металевого контакту поверхонь.

Тепловий опір металевого контакту виникає внаслідок стягування ліній теплового потоку до місць реального контакту. Для поверхонь з макровідхиленнями стягування буде подвійним: до місць макроконтакту і в місцях макроконтакту до місць контактування мікровиступів. В такому випадку тепловий опір контакту можна представити в вигляді

Rk=RL+RS, (5)

де RL – тепловий опір металевого контакту, обумовлений наявністю макронерівностей; RS - тепловий опір металевого контакту, обумовлений мікронерівностями поверхонь.

Теплопровідність мікроскопічної зони контакту подається в вигляді

, (6)

де am – радіус одиночного п'ятна контакту; - зведений коефіцієнт теплопровідності контактуючих матеріалів; .n – число одиночних п'ятен контакту на номінальній площі; n=Ar/·am2; Aa,, Ar – номінальна та фактична площі контакту відповідно; – коефіцієнт стягування ліній теплового потоку, який враховує звуження прохідного перерізу для теплового потоку біля поверхні контакту.

Для пластичного контакту, який має місце в з'єднанні поверхонь з Rz>(0,1-0,2) мкм підданих одноразовому навантаженню, відносна площа контакту

, або ,

де p – номінальний тиск на контакті; – границя міцності матеріалу; H – твердість за Вікерсом поверхні контакту з меншою твердістю.

Коефіцієнт – має значення близьке до одиниці, оскільки фактична площа контакту не перевищує декількох відсотків.

Теплопровідність металевого контакту зручно подати в безрозмірному вигляді, що дає можливість аналізувати теплопровідність контактів з різних матеріалів і з різною якістю обробленої поверхні.

, (7)

де с і n – коефіцієнт та показник ступеню.

Теплопровідність макроскопічної зони для контакту поверхонь , які мають макровідхилення в формі опуклостей може бути представлена в вигляді співвідношення мікроскопічної та макроскопічної провідностей

, (8)

де bL – радіус номінальної контактної зони; - безрозмірний комплекс пружної відповідності; – коефіцієнт пропорційності між p і H; ;

Експериментальні дослідження теплопровідності контакту з різним характером макровідхилень дають результати, які досить точно співпадають з розрахунковими, одержаними за формулами (7) і (8), тільки для опуклих поверхонь; для поверхонь з іншим характером відхилень (рис. 4) експериментальні дані за величиною виявились значно більшими ніж розрахункові. Такий характер теплопровідності відповідає наявності декількох зон макроконтакту, що може бути враховано в розрахунках введенням коефіцієнту k1

(9)

k1=1 для опуклих поверхонь (рис. 4а); k1=2 для контакту поверхонь рис.4б; k1=3 для контакту поверхонь рис. 4в.

а б в

Рис. 4. Схеми контакту з макровідхиленнями

Розрахунки теплопровідності металевого контакту, виконані за формулою (9), досить точно узгоджуються з даними експериментів (рис. 5). Розбіжності розрахункових і експериментальних значень в усьому діапазоні навантажень не перевищують 25%, а в діапазоні від 15*105 Н/м2 до 50*105 Н/м2 – 15%-20%. Для зусиль затяжки верстатних стиків (20*105 Н/м2 - 25·105 Н/м2) розбіжності в значеннях не перевищують15%.

Порівняння експериментальних даних з повної теплопровідності стиків з розрахунками, виконаними з урахуванням впливу макровідхилень поверхонь (формули (4), (9)) за умов навантаження на контакті р=25·105 Н/м2 показані на рис.6.

В четвертому розділі проведені дослідження температурного поля і температурних зміщень шпиндельної бабки токарно-револьверного автомата. Розрахунок температурного поля і деформацій для тривимірної моделі шпиндельної бабки (ШБ) виконано методом кінцевих елементів. Розглядається стаціонарний тепловий режим. Диференціальне рівняння теплопровідності

, (10)

рішається з граничними умовами (рис.7):

Т=const – по периметру отворів під підшипник;

-/x=· для x=0, 0<y<b, 0<z<h;

x=l, 0<y<b, 0<z<h;

-/y=· для y=0, 0<x<l, 0<z<h;

y=b, 0<x<l, 0<z<h;

- /y=· для z=h, 0<x<l, 0<y<b;

- /y=·* для z=h, 0<x<l, 0<y<b;

де ? – коефіцієнт теплопровідності матеріалу, з якого виготовлено корпус ШБ; – коефіцієнт тепловіддачі поверхонь; ст – теплопровідність стику ШБ і станини; – перепад температур ШБ і повітря; * - перепад температур на стику.

Контактна пара – чавун СЧ15– Контактна пара сталь 20Х -сталь чавун СЧ15, ?Rz=9,4мкм ?Wz=13,5мкм, 20Х, ?Rz=6,56мкм, ?Wz=10мкм,

характер контакту відповідає рис.4б. характер контакту відповідає рис.4а

Контактна пара - сталь 20Х – Контактна пара - сталь 20Х - чавун сталь 20Х ?Rz=2мкм, ?Wz=7мкм. СЧ30, ?Rz=4,4мкм, ?Wz=6,2мкм.

характер контакту відповідає рис.4в. характер контакту відповідає рис.4в.

Рис.5 - Залежність теплопровідності металевого контакту від навантаження

З метою підвищення точності розрахунків коефіцієнти тепловіддачі поверхонь уточнювались за результатами експериментальних досліджень температурного поля ШБ.

Рішення задачі термопружності для знаходження температурних зміщень ШБ виконувалось методом кінцевих елементів за граничних умов: u=0, v=0, коли z=0 в точках з координатами X і Y, що відповідають місцям встановлення фіксуючих елементів; w=0, коли z=0, 0xl, 0yb, а також для зазначених умов і прикладення навантаження на стик, яке відповідає зусиллю затяжки стику ШБ з станиною.

Рис. 6. – Теплопровідність стику: розрахунок і експеримент

Номери пар контакту відповідають рис.3.

Рис. 7. Схема шпиндельної бабки для завдання граничних умов.

Розрахунок температурного поля ШБ з врахуванням теплового опору стиків і без врахування показує, що врахування теплового опору стику впливає на характер температурного поля частини бабки прилеглої безпосередньо до зони стику. Як показали подальші розрахунки температурних зміщень, такі зміни температурного поля мало впливають на зміщення в вертикальній площині і відчутно змінюють характер зміщень в площині стику, що відповідним чином впливає на точність обробки

Розрахунки температурних зміщень шпиндельної бабки засвідчили значний вплив граничних умов на величину і характер зміщень. Координати X і Y установлення фіксуючих елементів ШБ визначають величину і напрямок зміщень осі шпинделя. Для різних варіантів розміщення фіксуючих елементів (всього досліджено 7 варіантів) температурні зміщення осі шпинделя за координатою Y змінюються від +30 до –46 мкм. Схема розміщення фіксуючих елементів впливає і на характер температурних зміщень. В разі застосування схем фіксації а, д і ж (рис. 8) вісь шпинделя в горизонтальній площині зміщується паралельно своєму початковому положенню, схеми б і в супроводжуються зігнутістю осі шпинделя внаслідок нерівномірних осьових зміщень бабки, використання схеми е зумовлює зігнутість осі в вертикальній площині з тих же причин, а схема г призводить до значного викривлення осі. Необхідно звернути увагу на те, що в разі використання схеми г зміщення осі розточок на торці передньої опорної стінки відбувається в бік штифта розміщеного поряд з стінкою. Це обумовлено тим, що лінія нульового зміщення, яка проходить через штифт, перетинає торець стінки за віссю розточок. Прикладення навантаження на стик для схеми фіксації а зменшує величину температурних зміщено осі розточок шпинделя майже на третину не змінюючи напрямку. Такий характер впливу схеми фіксації і зусилля затяжки повністю відповідає результатам експериментальних досліджень, наведених в другому розділі.

а б в г

д е ж з

Рис. 8. – Схеми фіксації шпиндельної бабки

Аналіз результатів розрахунків температурних зміщень показує, що із усіх розглянутих варіантів найбільш оптимальним з точки зору величини зміщень і характеру деформацій ШБ є схеми а і ж, хоча жодна з них не забезпечує нульових зміщень. Менші зміщення спостерігаються для схеми ж, але схема а є більш технологічною.

Встановлений вплив схеми розміщення штифтів на температурні зміщення ШБ робить можливим не лише зменшення величини зміщення осі шпинделя, а і керування температурними зміщеннями з метою компенсації впливу інших факторів, зокрема пружних відтискань та зносу інструменту на точність обробки. Для цього на етапі проектування верстата, взявши за основу схему а з симетричним розміщенням штифтів відносно осі шпинделя, розраховуються температурні зміщення осі. Якщо одержаний результат не задовольняє за величиною або напрямом, зміною положення одного з штифтів, досягають бажаного результату за величиною і напрямом зміщень.

Температурні зміщення торця передньої опорної стінки ШБ за координатою X складають на висоті осі шпинделя від 70 мкм для схем д і ж до 112 мкм для схем б і в.

Температурні зміщення передньої опорної стінки ШБ за координатою X значною мірою впливають на точність одержання лінійних розмірів, оскільки осьові температурні зміщення переднього кінця шпинделя визначаються

=к+шп

де к – осьові зміщення корпусу ШБ відносно станини; шп – осьові зміщення шпинделя відносно корпусу.

В разі застосування схеми фіксації шпиндельної бабки, наведеної на рис. 4.9а і осьової фіксації шпинделя в передній опорі температурні зміщення переднього кінця шпинделя в першому наближенні можуть бути визначені за виразом

d=bк Jк lш1+bкр Jкр1 lкр1+bпо Jпо lпо+bкр Jкр2 lкр2+bш Jш lшп, (11)

якщо осьова фіксація шпинделя виконана в задній опорі, то за виразом

d=bш Jўшп (lшк+lшм)+bзо Jзо lзо+bкр Jкр4 lкр4-bк Jўк (lк2+lзо+lкр4), (12)

де bк, bкр, bоп, bш – коефіцієнти лінійного розширення матеріалів корпусу ШБ, кришки, підшипників опори і шпинделя відповідно; J - середня надмірна температура відповідних елементів шпиндельної бабки.

Припустивши, що коефіцієнти лінійного розширення для всіх елементів бабки однакові, і, враховуючи, що температура кришки і корпусу в зоні опори відрізняються мало, температурні зміщення, в разі фіксації шпинделя в задній опорі в порівнянні з фіксацією в передній опорі, будуть більшими на величину

Dd=b[lпо(Jш-Jпо)+(lкр1+lш1+lк2)(Jш-Jк)+lзо(Jзо-Jк)]. (13)

Отже, в першому наближенні можна стверджувати, що різниця в зміщеннях переднього кінця шпинделя, в разі фіксації шпинделя в різних опорах визначатиметься різницею температур шпинделя і корпусу на ділянці між опорами. Якщо ця різниця буде незначною, то і суттєвого зменшення осьових зміщень в разі фіксації шпинделя в передній опорі досягнуто не буде.

Суттєвого зниження осьових температурних зміщень переднього кінця шпинделя можна досягти розмістивши штифти, що фіксують шпиндельну бабку, на передньому торці корпусу бабки. В такому разі осьові температурні зміщення шпинделя визначатимуться за виразом

d=b[lшп Jшп+lкр2(Jкр2-Jк)+lпо(Jпо-Jк)+lкр1(Jкр1 -Jк)-lш3ЧJк]. (14)

З формули (14) витікає, що за такої схеми фіксації осьові зміщення визначатимуться величиною вильоту шпинделя та різницею надмірних температур корпусу і елементів шпиндельного вузла, що розміщені в передній опорі.

Розміщення фіксуючих штифтів на зовнішньому торці стінки, при осьовій фіксації шпинделя в передній опорі, забезпечує значне зниження осьових зміщень шпинделя в порівнянні зі схемою, коли штифти розміщені з внутрішнього боку стінки за рахунок зменшення зміщень в опорі, оскільки зміщення опори в першому випадку пропорційні різниці температур опори і корпусу, а в другому - надмірній температурі опори.

ВИСНОВКИ

1. На основі аналізу літератури та проведених експериментальних досліджень визначені основні джерела тепловиділення в токарно-револьверному автоматі, виявлені фактори, що впливають на інтенсивність тепловиділення в шпиндельних опорах. Розроблені рекомендації щодо застосування систем мащення шпиндельних опор, які забезпечують зниження надмірної температури опори на 80–100С в разі використання крапельного мащення і до 250С в разі пластичного.

2. Виявлено вплив тепловиділення в різних вузлах верстата на температурні зміщення в зоні різання. Показано, що нерівномірне температурне поле базових деталей впливає на похибки форми оброблюваної деталі і мало впиває на похибки розміру, в той час як температурне поле шпиндельної бабки впливає і на похибки розміру і на похибки форми.

3. Розроблені математичні моделі розрахунку температурного поля і температурних деформацій шпиндельної бабки токарно-револьверного автомата, в яких враховується вплив стиків на теплопередачу і температурні зміщення. Виконані розрахунки температурного поля бабки показали, що врахування теплового опору стику впливає на температурне поле прилеглої до стику частини корпусу бабки. Встановлено, що температурне поле, прилеглої до стику частини шпиндельної бабки, виявляє вирішальний вплив на температурні зміщення шпиндельної бабки в горизонтальній площині (координата X), величина яких змінюється від 3мкм до 15мкм в разі врахування теплового опору стику.

4. На підставі розрахунків температурних деформацій шпиндельної бабки та експериментальних досліджень встановлено вплив закріплення та фіксування шпиндельної бабки на станині на величину і характер температурних зміщень шпинделя в горизонтальній площині. Запропоновані граничні умови для розрахунків температурних деформацій шпиндельних бабок, які враховують схему фіксування і затяжку стику.

5. Розроблена методика визначення схеми розміщення фіксуючих елементів, за якої забезпечуються оптимальні температурні зміщення шпинделя з врахуванням компенсації інших похибок. Запропоновані варіанти схем фіксації з мінімальними горизонтальними зміщеннями. Показано, що схема розміщення штифтів впливає на характер і величину температурних зміщень, а затяжка стику тільки на величину зміщень. Величина зміщень осі розточок під шпиндельні опори змінюється з –46мкм до +25мкм для різних схем.

6. Розроблена методика дослідження теплопровідності зони контакту в умовах роботи характерних для верстатних стиків. З використанням розробленої методики проведені дослідження впливу навантаження, параметрів геометрії поверхонь, міжзазорного середовища на теплопровідність зони контакту. Встановлено вплив макрогеометрії поверхонь контакту на теплопровідність середовища, що заповнює зону контакту. Встановлено вплив характеру макровідхилень на тепловий опір металевого контакту стикових з'єднань

7. Запропоновані залежності для визначення теплопровідності середовища в зоні контакту поверхонь з макровідхиленнями та теплопровідності металевого контакту з різним характером макровідхилень, які забезпечують відхилення розрахункових значень від експериментальних в межах 15%. Показано, що на теплопровідність середовища впливає величина макровідхилення поверхонь, а на тепловий опір металевого контакту як величина так і характер макровідхилень. Не врахування макровідхилень поверхонь в стиках значних розмірів призводить до значного, до 95%, завищення величини теплопровідності стику.

8. Результати роботи дають можливість цілеспрямовано керувати температурними зміщеннями осі шпинделя в площині стику з метою компенсації впливу на точність інших похибок обробки, зокрема пружних відтискань системи та зносу інструменту.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

1. Солоха В. В., Ковтун Є. Г., Дядя .С. І. Вплив геометрії поверхонь на теплопровідність контакту.// Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. –1997, №1. – с. 78-80.

2. Солоха В. В. Влияние схемы закрепления на температурные деформации шпиндельной бабки// Резание и инструмент в технологических системах.- Харьков: ХГПУ,-1998.- №52.- с. 190-194.

3. Солоха В. В., Внуков Ю. Н. Осевые температурные смещения шпинделя токарного автоматизированного станка// Резание и инструмент в технологических системах.- Харьков: ХГПУ,- 1999.- №54.- с. 224-226.

4. Ковтун Е. Г., Дядя С. И., Солоха В. В. Технологическое обеспечение точности токарно-револьверных автоматов// Нові матеріали і технології в металургії та машинобудуванні. –1997, №1. – с.80-82.

5. Наружный Н.В., Николаев А .А., Солоха В .В. О влиянии тепловыделения в опорах на жесткость шпинделя токарно-револьверных автоматов. // Технология и автоматизация машиностроения . –1987. - №39. –с.72-75.

6. Солоха В. В., Наружный Н. В., Николаев А. А.. Работоспособность шпиндельных опор на пластической смазке.// Повышение надежности и долговечности деталей машин и конструкций / -К .: 1985. –с. 76-80.

7. Солоха В. В., Внуков Ю. М. Теплопровідність стиків базових деталей верстатів // Праці міжнародної науково-технічної конференції “Прогресивна техніка і технологія машинобудування, приладобудування і зварювального виробництва”. К.: НТУУ “КПІ”, 1998, т. 1.-с. 115-119.

8. Солоха В. В., Николаев А. А., Наружный Н. В. Температурные явления в автомате и их влияние на точность обработки // Интенсификация технологических процессов и повышение ресурса изделий. -К.: 1991.- с. 92-99.

9. Внуков Ю. Н., Солоха В. В. Зависимость температурных деформаций шпиндельной бабки от способа закрепления // 5 International Conference on Advanced Mechanical Engineering & Technology “AMTECH'99” 23- 25 June 1999, Plovdiv, Bulgaria, Proceedings.- Vol. I. -p. 218-224.

АНОТАЦІЯ

Солоха В. В. Підвищення точності токарних автоматизованих верстатів шляхом зміни впливу умов стикування базових вузів на температурні деформації. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.01 – процеси механічної обробки, верстати та інструмент. –Харківський державний політехнічний університет, Харків,1999.

Дисертація присвячена питанням дослідження впливу різних чинників на температурні зміщення в зоні різання токарних автоматизованих верстатів, дослідження теплопередачі через стики і виявлення впливу макрогеометрії поверхонь контакту на тепловий опір стику, виявлення впливу теплопровідності контакту на температурне поле і температурні зміщення шпиндельної бабки. Внесені поправки до формул розрахунків теплопровідності стиків поверхонь з макровідхиленнями. Визначена залежність величини і напряму температурних зміщень осі шпинделя в площині стику від прийнятої схеми розміщення фіксуючих елементів та затяжки стику. Розроблені рекомендації з мінімізації впливу температурних зміщень шпиндельної бабки на точність обробки.

Ключові слова: температурні зміщення, температурне поле, теплопровідність контакту, токарний автомат, схема фіксації.

Солоха В. В. Повышение точности токарных автоматизированных станков путем изменения влияния условий стыкования базовых узлов на температурные деформации. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.01 - процессы механической обработки, станки и инструмент. -Харьковский государственный политехнический университет, Харьков, 1999.

Диссертация посвящена вопросам исследования влияния различных факторов на температурные смещения в зоне резания токарных автоматизированных станков, исследование теплопередачи через стыки и выявление влияния макрогеометрии поверхностей контакта на тепловое сопротивление стыка, выявление влияния теплопроводности контакта на температурное поле и температурные смещения шпиндельной бабки.

Определены основные источники теплообразования в токарном автомате, степень их влияния на температурные смещения инструмента и заготовки в зоне резания, влияние различных факторов на интенсивность теплообразования. Тепловыделение в шпиндельных опорах влияет на точность размеров и формы обрабатываемой детали, тепловыделение в элементах привода, системах смазки и охлаждения – преимущественно на отклонения формы. Разработаны рекомендации по снижению нагрева и уменьшению температурных деформаций элементов несущей системы станка.

На основе анализа литературных источников и экспериментальных данных определено влияние макрогеометрии поверхностей контакта на теплопроводность стыков базовых деталей станков. Установлено, что на теплопроводность контакта оказывает влияние не только величина макроотклонений контактирующих поверхностей, но и характер этих отклонений. Предложены поправки в формулы теплопроводности среды, заполняющей зону контакта, и теплопроводности металлического контакта, позволяющие учитывать макрогеометрию поверхностей. Разработаны рекомендации по определению теплового сопротивления контакта неподвижных сухих и смазанных стыков станочных деталей. Теплопроводность смазанных стыков при первом нагружении необходимо определять как теплопроводность среды, поскольку, в таких случаях, непосредственный металлический контакт отсутствует. Учет теплового сопротивления контакта при расчете температурного поля и температурных деформаций шпиндельной бабки показывает существенное изменение температуры бабки в зоне прилежащей к стыку, что влияет на температурные перемещения шпинделя в плоскости стыка бабки и станины.

Расчеты и экспериментальные исследования температурного поведения шпиндельной бабки выявили значительное влияние затяжки стыка шпиндельной бабки и станины и установки штифтов, фиксирующих бабку на станине, на величину и направление температурных перемещений оси шпинделя. В зависимости от принятой схемы фиксации шпиндель может не только перемещаться, вследствие температурных деформаций, но и подвергаться искривлению в одной или двух плоскостях, что ухудшает условия работы подшипников опоры. Величина перемещений оси шпинделя в плоскости стыка изменяется для различных схем фиксации от –46 мкм до +25 мкм.

Предложены граничные условия на стыке для расчета температурных деформаций, учитывающие усилие затяжки стыка и схему установки штифтов.

Разработаны рекомендации по использованию оптимальной схемы фиксации шпиндельной бабки, которая обеспечивает минимизацию температурных перемещений шпинделя в плоскости стыка и взаимную компенсацию температурными перемещениями упругих отжатий и износа режущего инструмента, что обеспечивает существенное повышение точности обработки.

Предложена схема установки штифтов, обеспечивающая минимальные осевые температурные перемещения шпинделя. При установке штифтов с внешнего торца передней опорной стенки бабки осевые перемещения переднего конца шпинделя определяются величиной вылета шпинделя и разностью температур корпуса и элементов шпиндельного узла, расположенных передней опоре, в то время как при размещении с внутренней стороны – избыточной температуре опоры.

Ключевые слова: температурные смещения, температурное поле, теплопроводность контакта, токарный автомат, схема фиксации.

Solokha V. V. The precision vising of automated lathes by changing influence of joint conditions of base units on temperature deformations. – Manuscript.

The thesis for scientific degree of the candidate of technical sciences by speciality 05.03.01 – “Processes of technical machining, lathes and tools” –Kharkov State Technical University, Kharkov, 1999.

The thesis is devoted to the problems of research of the different factors influence on temperature displacements in the cutting zone of automated lathes, investigation of heat transmission through joints and the elucidation of the influence of contact surfaces macrogeometry on the joint heat resistance, the elucidation of the influence of contact heat conduction on temperature field and spindle headstock temperature displacements. The amendment at the head conduction calculation formulas of joint surfaces with macrodeflexions were introduced. The dependence of quantity and trend of spindle axis temperature displacements at joint plane on adopted scheme of being the fixed places elements and joint tightening was determined. Recommendations on minimization of the spindle headstock temperature displacements influence upon the machining accuracy were elaborated.

Key word: temperature displacements, temperature field, contact heat conduction, automatic lathe, scheme of fixing.