WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


На правах рукописи

КРУТОВ АЛЕКСЕЙ ВАЛЕНТИНОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ КАЧЕСТВА СТАНКОВ ЗА СЧЕТ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ МЕТОДОВ РАСЧЕТА МОДУЛЬНЫХ НАПРАВЛЯЮЩИХ КАЧЕНИЯ

Специальность 05.02.07 – «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки»

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2012

Работа выполнена на кафедре "Станки" в ФГБОУ ВПО Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»

Научный консультант: Кандидат технических наук, доцент Молодцов Владимир Владимирович

Официальные оппоненты: Чеканин Александр Васильевич, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой "Сопротивление материалов" ФГБОУ ВПО МГТУ "СТАНКИН".

Ермолаев Вадим Константинович, кандидат технических наук, заместитель генерального директора по качеству ООО "СП "СТАНКОВЕНДТ".

Ведущая организация: ГНЦ РФ ОАО НПО "ЦНИИТМАШ"

Защита диссертации состоится 17 апреля 2012 г. в ___ часов на заседании диссертационного совета Д 212.142.01 при ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН», по адресу: 127994, Москва, ГСП-4, Вадковский пер., д. 3а Отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения) просим направлять в адрес совета Д 212.142.01 при ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» Автореферат разослан 15 марта 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доц. Волосова М.А.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ



Актуальность темы диссертации. Разработка нового или модернизация существующего оборудования не может проходить без принятия конструкторских решений, направленных на улучшение функциональных показателей оборудования.

Направляющие, по которым перемещаются подвижные узлы станков, машин, механизмов, измерительных приборов, роботов и других устройств, являются одним из основных элементов конструкции, и в значительной мере определяют их возможности и технический уровень.

Направляющие модульного типа в настоящее время являются самыми прогрессивными представителями узлов для реализации перемещения, как по прямой, так и по криволинейной траектории. Они обладают высокими технологическими характеристиками, имеют приемлемую стоимость, их производство освоено крупнейшими мировыми производителями. Надежность и простота использования модульных направляющих позволяет применять их не только в машиностроении, но и в любых областях техники, как независимый механический элемент.

Таким образом, разработка научно обоснованной методики расчета направляющих качения модульного типа для проектирования приводов подачи металлорежущих станков, является актуальной научной задачей.

Цель работы. Повышение качества металлообрабатывающих станков за счет рациональных конструкторских решений при разработке и модернизации оборудования, опирающихся на научно обоснованную методику и средства расчета модульных направляющих качения.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Построить математическую модель упругой системы «рельс – танкетка» направляющих модульного типа с 4 рядами тел качения.

2. Провести комплекс исследований упругих перемещений танкетки при действии различных видов внешних нагрузок, включающий в себя натурные и вычислительные эксперименты.

3. Для проведения натурных исследований разработать методику эксперимента и спроектировать измерительный стенд.

4. Проанализировать поведение направляющих модульного типа при действии комбинированных нагрузок различных видов и дать рекомендации по их рациональному применению в металлорежущих станках.

Методы исследования. Теоретические исследования проведены с использованием теории упругости контактных взаимодействий, методов механики, линейной алгебры, математического аппарата теорий матриц, метода конечных элементов. Для получения решения совокупности нелинейных уравнений был применен итерационный метод Ньютона-Рафсона. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях на разработанном экспериментальном стенде с использованием модульных направляющих ведущих мировых производителей (фирмы «ТНК» (Япония), «Schaeffler KG» (торговая марка «INA») и «Bosch Rexroth» (Германия)).

Научная новизна работы заключается в:

- нелинейной математической модели упругой системы «рельс – танкетка» модульных направляющих качения, учитывающей перемещения, вызванные упругими деформациями тел и дорожек качения, и распределение между шариками комбинированных внешних нагрузок.

- закономерностях поведения упругой системы «рельс-танкетка» модульных направляющих качения с 4 рядами шариков, обусловленных наличием в ней внутренних связей.

- аналитической упрощенной модели упругой системы «рельс-танкетка» модульных направляющих качения, раскрывающей причины возникновения связей и позволяющей оценить степень влияния на них отдельных параметров конструкции.

- конечно-элементной модели упругой системы «рельс-танкетка» модульных направляющих качения, учитывающей упругие деформаций тел и дорожек качения и собственные деформации рельса и танкетки, предназначенной для моделирования направляющих станка и сопрягаемых с ними деталей несущей системы.

Практическая ценность заключается:

- в методике расчета модульных направляющих качения, с учетом сопрягаемых с ними деталей несущей системы станка и необходимом для ее реализации программном обеспечении.

- в рекомендациях по выбору направляющих качения модульного типа для зубофрезерного станка модели 5320Ф4 на основе баланса упругих деформаций и оценке вклада модульных направляющих в относительные перемещения инструмента и заготовки.

Реализация результатов работы. Работа выполнялась в МГТУ «СТАНКИН» в рамках госбюджетного контракта (№ гос.рег. 01200804876) и государственного контракта с Министерством промышленности и торговли РФ (№ 10411.1003702.05.004/01 от 31.03.2010 г.: «Создание гаммы вертикальнозубофрезерных станков для изготовления цилиндрических колёс, максимальным диаметром обработки 200…1250 мм», шифр «Шестерня».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались: на XVIII международной Интернет-конференции молодых ученых МИКУМС-2006; на XII Научной конференции МГТУ «СТАНКИН» и «Учебнонаучного центра математического моделирования МГТУ «СТАНКИН» - ИММ РАН» 2009; на XXII Международной конференции молодых ученых МИКУМС2010; на Международной конференции "Автоматизация: проблемы, идеи, решения" Севастополь 2010; на Всероссийской конференции «Современные технические средства диагностики металлорежущих станков» МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2011; на VII Международной научно-технической конференции "Проблемы исследования и проектирования машин" Пенза, 2011.

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 11 работ, в том числе 3 - в журналах, рекомендованных ВАК РФ, 5 публикаций в трудах международных конференций, 2 авторских свидетельства о государственной регистрации программ для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и списка литературы из 104 наименований. Содержит 84 рисунка и 21 таблицу. Общий объем работы 152 страницы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении показаны роль и место проводимых в работе исследований в решении задач разработки и модернизации металлообрабатывающих станков для отечественного машиностроения.

В первой главе произведен анализ работ по проектированию и расчетам шариковых направляющих качения в металлорежущих станках. Рассмотрены факторы, определяющие их тип и конструкцию, особенности конструктивного исполнения и методы их расчета.

Основные положения, применяемые при конструировании и расчете направляющих станков, изложены в работах ведущих специалистов станочников, таких как: Н.С.Ачеркан, Д.Н.Решетов, З.М.Левина, В.В.Каминская, Ю.Д.Врагов, В.С.Хомяков, В.В.Бушуев, А.Г. Бойм и др.

С середины XX века инженеры, принимая во внимание особенности конструкции, достоинства и недостатки направляющих обоих типов – качения и скольжения, отдавали предпочтение последним из-за их статической и динамической жесткости.

Однако направляющие скольжения в существенной степени стали ограничивать рост эксплуатационных характеристик станков, ставший возможным вследствие развития приводной техники, увеличения скоростей резания, использования новых режущих материалов, повышения точности систем управления. Бесконтактные опоры, имеющие небольшое трение, высокое демпфирование, хорошую плавность хода и износостойкость обладают, к сожалению, высокой стоимостью, имеют сложную конструкцию и капризны в эксплуатации.





Направляющие качения, несмотря на свои недостатки, часть из которых в настоящее время производителям удалось преодолеть (сложность изготовления и высокая стоимость), являются основной альтернативой направляющим скольжения, недостатки которых (большое трение, ограничивающее скорость перемещения подвижного узла, высокий износ и скачкообразность движения на небольших скоростях) становятся все более очевидными в свете растущих требований к точности и производительности оборудования.

Рассматривая работы, посвященные расчету шариковых направляющих качения, можно выделить труды З.М. Левиной и Д.Н. Решетова. В этих работах приводится методика расчета направляющих с учетом типовых погрешностей их изготовления, которая позволяет выбрать размеры и материал направляющих.

Также приводятся методики расчета направляющих качения с использованием коэффициентов, полученных экспериментально для определенных типов направляющих качения.

В настоящее время все более широкое применение находят усовершенствованные направляющие с циркуляцией тел качения – направляющие качения модульного типа (модульные направляющие качения). Интерес к ним объясняется тем, что направляющие данного типа представляет собой законченное унифицированное изделие, своего рода подшипник поступательного перемещения, для использования которого достаточно подготовить соответствующие поверхности на подвижном и неподвижном узлах станка. Основными производителями таких направляющих являются фирмы «ТНК» (Япония), «Schaeffler KG» (торговая марка «INA») и «Bosch Rexroth» (обе – Германия). Но в последнее время их выпуск был налажен также и другими фирмами, специализирующимися на поставках комплектующих для станочного оборудования во всем мире.

Основной проблемой выбора и расчета модульных направляющих является статическая неопределимость математической модели и оценка их жесткости и эквивалентной нагрузки из-за отсутствия этих данных в каталогах производителей. Некоторые производители (например, «Bosch Rexroth» и «Schaeffler KG») приводят графические зависимости для нескольких простейших видов нагрузки. Этого не достаточно для проектирования системы формообразования станка и оценки его жесткости в целом, так как направляющие модульного типа способны воспринимать целый комплекс нагрузок (сил и моментов) одновременно в пяти направлениях.

Из-за отсутствия на стадии проектирования информации о технических параметрах спроектированных направляющих, возрастает риск конструкторских ошибок, что может привести к снижению эксплуатационных свойств и рыночной конкурентоспособности оборудования. На основе проведенного анализа сформулированы цель и задачи исследования.

Вторая глава посвящена экспериментальному исследованию поведения модульных направляющих качения. В качестве объектов исследования были выбраны прецизионные направляющие SHS 25LC2 фирмы «ТНК» с сепаратором, KWVE25B G3V1 фирмы «Schaeffler KG» и R1651 422 20 фирмы «Bosch Rexroth» без сепаратора.

Благодаря своей конструкции направляющие модульного типа могут воспринимать нагрузки во всех направлениях, кроме направления перемещения. В правой прямоугольной системе координат вектор возможных нагрузок на танкетT {F}=[Fy,Fz,Mx,My,Mz] ку имеет вид:.

а) б) Рис.1. Измерительный стенд Для исследования поведения модульных направляющих под действием нагрузок была разработана методика проведения измерений, сконструирован и изготовлен специальный измерительный стенд (см. рис. 1).

Стенд состоит из установочной плиты 1, с закрепленными на ней порталом 2, модульной направляющей 6 и индикаторами 7. На портале размещены три нагружающих устройства 3. Нагружающие устройства представляют собой винтовые соединения, которые через пьезоэлемент и промежуточные детали 4, 5 передают усилия на танкетку. Индикаторы часового типа 7 с ценой деления 1 мкм, контролирующие перемещения танкетки по координатам Oy и Oz, установлены таким образом, чтобы измерять непосредственно перемещения танкетки, исключая влияние деформации деталей стенда.

В процессе исследования танкетка подвергалась различным видам нагрузок:

Fz, Fz+Mx, Fy+Mx, Fz+Mу. Выбор приведенных сочетаний связан с особенностями приложения нагрузки и измерения перемещений танкетки.

Результаты обработки экспериментальных данных представлены на графиках (рис. 2 и 3) вместе с результатами расчётов. Перемещения модульных направляющих, вызванные действием комбинированных нагрузок, показаны на примере перемещения танкетки KWVE25B G3V1 (см. рис. 2).

а) б) в) г) д) е) ж) з) Рис. 2. Перемещения танкетки KWVE25B G3V1, вызванные действием различных видов комбинированных нагрузок: а) и б) – Fz+Mу; в), г) и д) – Fy+Mx; е), ж) и з) – Fz+Mx.

На рис. 3 нанесены кривые, взятые из каталогов производителей. Данные из каталогов «Schaeffler KG» (рис. 3,б) и «Bosch Rexroth» (рис. 3,в) и результаты обработки экспериментов хорошо согласуются между собой.

Третья глава посвящена разработке математических моделей упругой системы модульной шариковой направляющей. При создании математической модели упругой системы танкетка – рельс сделаны допущения об идеальном а) качестве изготовления деталей, то есть отсутствии отклонений размеров, формы, взаимного положения поверхностей, шероховатости, волнистости и изменений физико-механических характеристик поверхностного слоя. Рельс и связанная с ним система координат счиб) тались неподвижными, а танкетка могла перемещаться под действием внешних нагрузок линейно вдоль осей Oy и Oz, и поворачиваться вокруг осей Ox, Oy и Oz (см. рис. 4). Рельс и танкетка считались недеформируемыми за исключением поверхностных слоев дорожек качения.

в) Рис. 3. Перемещения танкеток, вызванные Математическая модель в общем случае действием нагрузки Fz: а) SHS 25LC2; б) была представлена в виде {F}= {f ({})}, KWVE25B G3V1; в) R1651 422 20.

T где {}= [,,x,,z] вектор перемещений танкетки, вызванных действием наy z y T грузок {F}= [Fy, Fz, M, M, M ]. Ее основой является, предложенная Генрихом x y z Герцем, модель контакта упругой сферы с упругим полупространством. В данном случае рассматривалось взаимодействие сферы с цилиндрическим желобом.

Схема контакта шарика с дорожками качения, представлена на рис. 4. Центр кривизны дорожки качения рельса O до и после приложения нагрузки не меняет своего положения, а От после приложения нагрузки переходит в Oт.

Согласно модели, предложенной Герцем, зависимость Rij от ij для шариковых опор имеет вид Rij = c3 2, ij где с – постоянный коэффициент, характеризующий особенности контакта.

В рассматриваемом случае Rijy(ijy,ijz) и Rijz(ijy,ijz) есть функции двух переменных. Разложив их в ряд Тейлора и удерживая члены не выше первого порядка, выражению Rij = c3 2 в матричной форме записи ij Рис. 4. Схема контакта шарика с дорожками качения танкетки и рельса.

можно придать вид {Rij({ij})}{Rij({0})}+[Kij({ij})]{ij}, где, [Kij({ij})] – матрица жесткости для выбранного шарика, {Rij({0})} – вектор усилий предварительного натяга.

После суммирования реакций всех – n шариков, находящихся в контакте на каждой из m дорожек качения, получим выражение m n T T {F}= ([Aij] [Kij({[Aij]{}})][Aij]{}+[Aij] {Rij ({0})}) где [Aij]T – транспонированная мат j=1 i=рица переноса.

m n T При суммировании составляющая [Aij] {Rij ({0})} обращается в нуль, и j=1 i=система нелинейных уравнений принимает окончательный вид: {F}= [K({})]{}, m n T где [K({})]= [Aij] [Kij({[Aij]{}})][Aij] – матрица жесткости системы.

j=1 i=Полученная система уравнений была решена итерационно, методом Ньютона-Рафсона. В процессе проведения расчетов было доказано, что для разработанной модели выбранный метод обеспечивает устойчивую сходимость и необходимую точность.

При анализе расчетных и экспериментальных кривых наблюдается сложная взаимная связь, возникающая между нагрузками и перемещениями. Она проявляется только при совместном действии момента Mx и силы Fy или Fz. При сочета ниях Fz+My и Fy+Mz в упругих деформациях направляющих не было обнаружено каких-либо аномалий.

Для объяснения выявленных особенностей поведения модульных направляющих под действием комбинированных нагрузок, поперечное сечение танкетки плоскостью Oyz было представлено в виде недеформируемой балки, шарнирно закрепленной на четырех пружинах. (см. рис. 5). Расчетная схема упрощенной модели составлена для танкеток, выполненных по конструктивной схеме «X».

Рис. 5. Расчетная схема.

Пружины переменной жесткости kj (j=1,…,4), развернутые под углами 45°, 135°, –135° и –45°, имитируют упругие свойства дорожек и тел качения, а шарнирное закрепление – изменение угла контакта между ними. Так как интерес представляло поведение танкетки при комбинированной нагрузке, действующей в плоскости Oyz, сила F и момент M были приложены в начале координат, при этом вектор силы будет образовывать произвольный угол 0 с осью Oy.

Составим уравнения равновесия для сил, действующих на балку AB:

Fy = 0 RAy + RBy + F cos0 = Fz = 0 RAz + RBz + F sin0 = 0, где RAy = R1y + R4 y и RAz = R1z + R2z, RBy = R2 y + R3 y M = 0 RAzb - RBzb + M = O и RBz = R2 z + R3z – суммы реакций пружин в точках A и B соответственно, Riy и Riz – проекции реакции j-ой пружины на оси Oy и Oz соответственно, а b – половина длины балки. Данная система уравнений является статически неопределимой, и для ее решения необходимо учитывать деформации пружин.

Если выразить Rjy и Rjz через Oy, Oz и , где Oy и Oz – проекции O на оси Oy и Oz, а – угол поворота балки AB в плоскости Oyz, и подставить результат в уравнения равновесия, получим систему из трех уравнений с тремя неизвестными:

A1 Oy + A2 Oz + A3 b = F cos0 A2 Oy + A1 Oz + A4 b = F sin0 , где A1 = (k1 + k2 + k3 + k4 )/ 2, A3 Oy + A4 Oz + A1 b2 = M A2 = (k1 - k2 + k3 - k4 )/ 2, A3 = (k1 + k2 - k3 - k4 )/ 2 и A4 = (k1 - k2 - k3 + k4 )/ 2.

Значение kj для каждой пружины зависит от направления и величины приложенной нагрузки, т.е. k = f (0 ). Значения жесткости пружин, получим из маj j тематической модели как отношение Rij к ij.

Можно аппроксимировать закон изменения жесткости для каждой из дорожек качения танкетки, выполненной по конструктивной схеме «X», выражением j k (0) = k0(1+ (-1) M )- kF cos0 - - ( j -1), где k0 – постоянная составляющая j 4 жесткости, обусловленная предварительным натягом; kF – амплитуда изменения жесткости, вызванной действием силы F; M – относительное изменение жесткости, вызванное действием момента. Используя это выражение можно получить достаточно простые зависимости для коэффициентов Aj: A1 = 2k0, A2 = -2M k0, A3 = 2kF sin0 и A4 = 2kF cos0.

После подстановки значений Aj система уравнений равновесия балки примет 2 F Oy - MOz - F sin0b = cos0 2 2k 2 F kF вид - M Oy + Oz - F cos0b = sin0 , гдеF = – относительное из2 2k0 k 2 2 M - F sin0Oy + - F cos0Oz + b2 = 2 2 2k0b менение жесткости, вызванное действием силы.

Полученная система уравнений описывает поведение упрощенной модели упругой системы «рельс – танкетка» находящейся под действием комбинированной нагрузки, приложенной в плоскости Oyz.

На рис. 6 показано множество положений точки O танкетки после ее перемещения, вызванного совместным действием последовательно прикладываемой в различных направлениях силы F и момента M, что соответствует комбинированным нагрузкам Mx+Fy, Mx+Fz. Исходное положение точки O совпадает с началом координат направляющей – Oxyz. Линия действия F лежит в плоскости Oyz и проходит через точку O, под различными углами от 0 до 360° к оси Oz. Результаты, полученные с помощью расчетной модели танкетки, нанесены квадратными и ромбическими маркерами, а аналитические зависимости для F=0 и M=0 сплошными и пунктирными линиями.

а) б) Рис. 6. Зависимость перемещения танкетки от направления вектора нагрузки: а) – линейные перемещения при определяющем влиянии момента M по сравнению с F (F=Н, M=10 Нм – квадратные маркеры и сплошная линия, F=20 Н, M=20 Нм – ромбические маркеры и пунктирная линия);

б) и в) – линейные перемещения и поворот при M=0 (F=1000 Н – квадратные маркеры и сплошная линия, F=2000 Н – ромбические маркеры и пунктирная линия) в) Сравнительный анализ представленных графических зависимостей показал, что качественный характер поведения обеих моделей одинаков, а при соответствующем выборе k0, F и M можно получить и удовлетворительное количественное совпадение результатов.

В четвертой главе представлена методика расчета модульных направляющих качения, учитывающая жесткость сопряженных элементов несущей системы станка. Расчет проводился с использованием метода конечных элементов. Для имитации поведения направляющих были разработаны специальные конечно-элементные модели, учитывающие рассмотренные в предыдущих главах особенности их конструкции.

При моделировании было использовано сочетание конечно-элементных моделей танкетки и рельса со специальным элементом типа "пружина", с помощью которого имитировались упругие свойства тел и дорожек качения. Параметры "пружины" определялись с помощью нелинейной математической модели, созданной автором (рис.7,а).

а) б) в) г) Рис. 7. Комплексная модель танкетки: а) – аппроксимация; б) - касательная нагрузка; в) - эксцентричный прижим танкетки; г) - симметричный прижим танкетки.

Полученные зависимости представлены на рисунках 7,б – г вместе с экспериментальными данными и результатами расчетов по нелинейной модели. Как видно из графиков (рис.7,б – г), конечно-элементная модель (сплошная линия) обеспечивает лучшую корреляцию с экспериментами (ромбические маркеры), чем нелинейная (пунктирная линия). Сравнение расчетных кривых позволяет выделить долю перемещений, вызванных контактными деформациями, которая для разных схем приложения нагрузки, составляет 75…90% суммарного.

Созданная конечно-элементная модель упругой системы "рельс - танкетка" была использована для расчета направляющих горизонтального и вертикального перемещения инструмента и определения баланса упругих деформаций вертикального зубофрезерного станка модели 5320Ф4, спроектированного в ГИЦ ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» (рис.8).

Расчеты направляющих были проведены двумя способами: традиционным аналитическим и новым, с применением метода конечных элементов.

Рис. 8. Зубофрезерный станок мод. 5320Ф4. Рис.9. Расчетная модель несущей системы Аналитический расчет заключался в составлении системы уравнений равновесия для определения реакций направляющих. Данная система является статически неопределимой и для ее решения необходимо использовать ряд допущений: базовые детали рассматриваются как абсолютно жесткие, контактные перемещения в опорах пропорциональны действующему на них усилию и нагрузка на тела качения распределена равномерно по дорожке. При восприятии танкетками нагрузок по разным направлениям не учитываются внутренние связи в их упругой системе.

В рамках конечно-элементного расчета рассматриваемых приводов зубофрезерного станка модели 5320Ф4 в модель его несущей системы были встроены разработанные автором модели модульных направляющих с целью оценки возникающих в них реакций (рис.9).

Основные различия между проведенными расчетами заключались в том, что во втором случае учитывалась жесткость сопрягаемых с направляющими базовых деталей станка и особенности конструкции модульных направляющих.

Расчеты показали, что доминирующим видом нагрузок, действующих на станок, является сила тяжести. Конструкция спроектирована таким образом, что сила резания разгружает направляющие от веса, перемещающихся по ним узлов станка.

Сравнение результатов расчетов позволяет сделать вывод, что направляющие горизонтального перемещения стойки инструмента спроектированы рационально, так как разница между максимальными нагрузками на танкетки не превышает 15%. (см. рис. 10,а). Можно рассматривать аналитический расчет не только как метод первоначального выбора типа и размера направляющих, но и как эталон для оценки качества проектирования сопрягаемых с ними базовых деталей, так как в случае абсолютно жесткой конструкции нагрузки между танкетками распределяются наиболее равномерно.

а) б) Рис.10. Силы реакций в направляющих: а) - горизонтальных, б) - вертикальных.

На распределение нагрузок между направляющими вертикального перемещения суппорта существенное влияние оказывают деформации двойных стенок инструментальной стойки. Следствием этого является расхождение результатов расчетов по максимальным значениям более чем на 40%. Учитывая, что направляющие большую часть времени эксплуатируются под действием нагрузок близким к максимальным, это не может не сказаться на расчетном периоде эксплуатации: по результатам аналитического расчета (20191 часов), по результатам конечно-элементного – (10374 часа).

Из анализа баланса деформаций несущей системы станка 5320Ф4 следует, что направляющие модульного типа вносят существенный вклад в относительные перемещения инструмента и заготовки. Вклад направляющих суппорта и стойки различен: 0,8; 4,9; 14,2% и 30,8; 19,9; 20,3% соответственно по осям Ox, Oy и Oz. Этот эффект объясняется разной удаленностью направляющих от зоны резания.

Замена шариковых направляющих на аналогичные по габаритам, но на 70% более жесткие, роликовые (INA RUE 45-E) не дало столь существенного эффекта, как ожидалось. Перемещения уменьшились на 10; 5 и 8% соответственно по осям Ox, Oy и Oz.

Основными этапами предлагаемой методики расчета модульных направляющих качения, учитывающей особенности их конструкции и поведения, жесткость сопряженных с ними базовых деталей станка, являются:

- аналитический расчет направляющих с целью предварительного выбора их типа и размера;

- создание конечно-элементных моделей модульных направляющих и сопрягаемых с ними деталей несущей системы и расчет методом конечных элементов для оценки реакций направляющих;

- сравнение результатов, полученных аналитическим и конечноэлементным расчетом;

- в случае существенных расхождений изменение конструкции сопрягаемых деталей и (или) замена типоразмера направляющих с целью повышения их жесткости и новый расчет направляющих;

- при удовлетворительном совпадении результатов проводится оценка долговечности модульных направляющих.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ 1. В диссертационной работе решена научно-техническая задача, имеющая важное значение для машиностроительного производства, заключающаяся в повышении качества металлообрабатывающих станков за счет рациональных конструкторских решений при разработке и модернизации оборудования, опирающихся на научно обоснованную методику и средства расчета модульных направляющих качения.

2. Разработана математическая модель упругой системы «танкетка – рельс направляющей» шариковых направляющих модульного типа с 4-мя и 6-ю дорожками качения, учитывающая их взаимное расположение и нелинейный характер контакта между телами и дорожками качения, что позволяет оценить перемещения танкетки и распределение между шариками комбинированных внешних нагрузок. Адекватность математической модели подтверждается сравнением результатов расчетов с экспериментальными данными.

3. В процессе проведения натурных и вычислительных экспериментов было выявлено наличие перемещений по линейным и угловым координатам, не совпадающим с направлениями приложения составляющих комбинированных нагрузок, что позволяет сделать вывод о наличии внутренних связей между нагрузками и перемещениями при совместном действии момента Mx и силы Fy или Fz.

4. Разработана упрощенная аналитическая модель упругой системы «рельс – танкетка», позволяющая изучать поведение танкеток с 4 дорожками качения, развернутыми под углом в 45° к присоединительным поверхностям рельса и танкетки, под действием комбинированной нагрузки в плоскости Oyz. Доказано, что качественный характер поведения обеих моделей одинаков, а при соответствующем выборе жесткости пружин, имитирующих упругие свойства дорожек и тел качения, можно добиться и удовлетворительного количественного соответствия. Аналитические зависимости могут быть использованы для разработки упрощенных моделей направляющих модульного типа при имитационном моделировании станков с помощью метода конечных элементов.

5. Изучен механизм формирования внутренних связей, заложенный в конструкцию направляющих. Причиной их возникновения является переменная жесткость упругой системы, вызванная нелинейным характером контакта между телами и дорожками качения. При приложении внешней нагрузки жесткость, обусловленная предварительным натягом, перераспределяется между дорожками, вызывая возникновение внутренних связей в системе. Приложение момента Mx вызывает увеличение жесткости на двух противоположных дорожках качения и соответствующее снижение ее на перпендикулярных к ним дорожках. В результате наблюдаются перемещения в направлении перпендикулярном направлению вектора силы. При отсутствии внешнего момента, из-за изменения жесткости на дорожках, лежащих в направлении действия вектора силы, реакции меняются на разную величину. В результате возникает момент Mx, который может быть скомпенсирован реакциями двух других дорожек только при повороте танкетки вокруг оси Oх.

Это позволяет объяснить специфический характер перемещений танкеток под действием комбинированных нагрузок.

6. Разработана специальная конечно-элементная модель модульной направляющей, учитывающая особенности конструкции и упругие свойства рельса и танкетки. Эта модель обеспечивает лучшую корреляцию с экспериментами, чем исходная нелинейная. Сравнение расчетных кривых, полученных с помощью этих моделей, позволило оценить долю перемещений, вызванных собственными деформациями рельса и танкетки, которая может достигать 25% от общего перемещения. Полученная модель предназначена для использования в качестве элемента несущей системы станка при расчетах методом конечных элементов.

7. Выявленные особенности в поведении модульных направляющих качения могут проявляться под действием нагрузок, вызванных весом перемещаемого узла, технологическими процессами, погрешностями обработки монтажных поверхностей, качеством монтажа, температурными деформациями. Выполненные расчёты показали, что внешняя нагрузка может существенно – на 58%, перераспределить реакции на отдельных дорожках модульных направляющих, что необходимо учитывать при оценке работоспособности узла. Изменение реакций приводит к изменению жесткости дорожек (до 20%), но на величину относительных перемещений инструмента и заготовки станка 5320Ф4 этот эффект не оказывает ощутимого влияния.

8. Анализ баланса деформаций несущей системы вертикального зубофрезерного станка показал, что направляющие являются одним из наименее жестких элементов его конструкции. Суммарный вклад от деформации модульных направляющих горизонтального перемещения стойки и вертикального перемещения суппорта инструмента составляет 25 – 35% от относительного перемещения инструмента и заготовки. Увеличение жесткости конструкции станка, при переходе от шариковых к роликовым направляющим, не настолько значительно как это принято считать. Положительный эффект от такой замены достигается в основном за счет большей долговечности и лучших диссипативных свойств роликовых направляющих.

9. Результаты диссертационной работы применяются на станкостроительных предприятиях (ОАО «САСТА» и ОАО "СМЗ") и используются в учебном процессе при подготовке специалистов по специальности "Проектирование технологических машин и комплексов".

СПИСОК ПЕЧАТНЫХ РАБОТ:

Публикации в изданиях из перечня ВАК 1. Крутов А.В., Моделирование и расчет направляющих качения модульного типа / Молодцов В.В. / Ежемесячный научно-технический журнал СТИН, № 12, Москва, 2010, с. 5 – 11.

2. Крутов А.В., Влияние конструкции направляющих качения модульного типа на их эксплуатационные свойства / Молодцов В.В. / Сборка в машиностроении, приборостроении», № 10, Москва, 2011, стр. 24 – 31.

3. Крутов А.В., Особенности поведения направляющих модульного типа под действием комбинированных нагрузок / Молодцов В.В / Научный рецензируемый журнал Вестник МГТУ «Станкин», №4(2), Москва, 2011, стр. 8 – 18.

Публикации в других изданиях 4. Krutov, A.V., Simulation of modular guide systems /Molodtsov, V.V./ Russian Engineering Research. 31 (3), DOI: 10.3103/S1068798X11030142 pp. 270-275.

5. Крутов А.В., Молодцов В.В., Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2010613452 «Расчет жесткости шариковых направляющих модульного типа» (SALM-direct) / 2010.

6. Крутов А.В., Молодцов В.В., Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2010613453 «Расчет жесткости шариковых направляющих модульного типа» (SALM- inverse) / 2010.

7. Крутов А.В, Изучение процессов виброакустической диагностики состояния технологических систем в автоматизированных производствах / Бушуев В.В., Сабиров Ф.С., Молодцов В.В., и др./ Отчет МГТУ «СТАНКИН» по НИР. Рук. В.В.

Бушуев № гос. регистр. 01200804876, Инв. № 02201152288. 2010. 69 с.

8. Крутов А.В. Методика расчета жесткости направляющих качения модульного типа // Сб. трудов Ежегодной XVIII Международной Интернет-конференции молодых ученых и студентов по современным проблемам машиноведения МИКМУС-2006, ИМАЩ РАН, 2006. с.65.

9. Крутов А.В., Методика расчета жесткости направляющих качения модульного типа / Молодцов В.В. / Сб. трудов XXII Международной инновационноориентированной конференции молодых ученых и студентов (МИКМУС-2010) "Будущее машиностроения России", ИМАЩ РАН, 2010. с.56.

10. Крутов А.В., Методика расчета жесткости направляющих качения модульного типа / Молодцов В.В. / Сб. трудов Международной научной конференции "Автоматизация: проблемы, идеи, решения", Севастопольский национальный технический университет, 2010. с. 177-180.

11. Крутов А.В., Использование имитационных моделей модульных направляющих качения для прогнозирования их эксплуатационных характеристик / Молодцов В.В. / Сб. материалов всероссийской научной школы "Современные технологические средства диагностики металлорежущих станков", МГТУ им.

Н.Э.Баумана, 2011. с. 37 – 39.

12. Крутов А.В. Использование имитационных моделей модульных направляющих качения для прогнозирования их эксплуатационных характеристик // Сборник статей VII Международной научно-технической конференции "Проблемы исследования и проектирования машин", Пенза, Приволжский дом знаний, 2011.

с 41 - 43.






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.