автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Исследование и повышение точности вращения шпинделей оптимальной ориентацией подшипников качения в опорах

Введение.

1. Точность вращения шпинделей на опорах качения.

1.1 Понятие о точности вращения шпинделей на опорах качения.

1.2 Параметры опор качения, влияющие на точность вращения шпинделей.

1.3 Обзор исследований по повышению точности вращения шпинделей.

1.4 Методы расчёта точности вращения шпинделей.

1.5 Основное направление работы и его актуальность.

2. Математическая модель шпиндельного узла на опорах качения.

2.1 Геометрия и кинематика идеального подшипника.

2.2 Математическое представление погрешности формы дорожек качения неидеального подшипника.

2.3 Квазистатическая модель шпиндельного узла на опорах качения.

2.4 Форма задания геометрических погрешностей дорожек качения шпиндельных опор.

3. Предельно достижимая точность вращения шпинделей на опорах качения.

3.1 Условия возникновения параметрических колебаний шпинделя.

3.2 Влияние величины радиальной нагрузки и зазора/натяга в опорах на точность вращения шпинделя.

3.3 Причины возникновения параметрических колебаний шпинделя и способы их уменьшения.

3.4 Анализ устойчивых параметрических колебаний шпинделя.

3.5 Экспериментальное исследование параметрических колебаний шпинделя.

4. Снижение величины биения шпинделя, вызванного эксцентриситетом внутренних колец опор. снижения.

4.2 Снижение биения шпинделя посредством оптимальной ориентации эксцентриситетов внутренних колец подшипников одной опоры.

4.3 Экспериментальное исследование возможности снижения биения шпинделя за счёт оптимальной ориентации эксцентриситетов подшипников в опорах.

5. Исследование и уменьшение колебаний шпинделя, вызванных низкочастотными и «резонансными» гармониками отклонения формы дорожек качения опор.

5.1 Механизм образования колебаний шпинделя, вызванных низкочастотными гармониками отклонения формы дорожек качения.

5.2 Повышение точности вращения шпинделя за счёт взаимной компенсации колебаний, генерируемых низкочастотными гармониками дорожек качения.

5 .3 Закономерность образования колебаний шпинделя, вызванных «резонансными» гармониками отклонения формы дорожек качения опор.

5.4 Методика взаимной компенсации колебаний, вызванных резонансными» гармониками.

5.5 Экспериментальное подтверждение методики повышения точности вращения шпинделя за счёт взаимной компенсации колебаний.

6. Влияние числа подшипников в опоре на параметры работоспособности шпиндельного узла.

6.1 Оптимальное число подшипников в опоре по критерию жёсткости, несущей способности и быстроходности шпиндельного узла.

6.2 Оптимальное число подшипников в опоре по критерию точности вращения шпинделя.

Повышение точности обработки с использованием высокопроизводительного прецизионного оборудования - одна из главных задач современной технологии машиностроения. Уже на сегодняшний день ставится задача повышения точности обработки до сотых и тысячных долей микрометра. Потребность промышленности в особо точных изделиях влечёт за собой необходимость расчёта, проектирования и производства металлорежущих станков, обеспечивающих подобную точность обработки и, в то же время, способных реализовать современные возможности режущего инструмента, то есть осуществлять резание со скоростями до 50 м/с при лезвийной обработке чёрных металлов, 80 м/с при обработке цветных металлов и 120 м/с при абразивной обработке. Создание таких станков невозможно без повышения точности шпиндельного узла (ШУ), как элемента станка, в значительной мере определяющего его точность.

Наибольшее применение в станках получили шпиндельные узлы с опорами качения (примерно 95% всех станков), как наиболее экономичные, надёжные и простые в эксплуатации. У современных станков, и в особенности прецизионных станков с ЧПУ, станков скоростного и силового шлифования, радиальное и осевое биение шпинделя не должно превышать 1-2 мкм. Отклонение формы цилиндрической поверхности деталей обработанных на современных станках должно составлять- 0.8-1.5 мкм (токарные, расточные станки) и 0.2-0.6 мкм (шлифовальные, отделочные и координатно-расточные станки).

Для достижения таких высоких показателей необходимо знать основные факторы, влияющие на точность вращения шпинделя, а также возможность их устранения или ослабления их влияния. В настоящее время установлено, что точность вращения зависит в основном от точности изготовления рабочих поверхностей подшипников опор. Поэтому точность вращения шпинделя повышают, как правило, за счёт увеличения точности изготовления подшипников опор и сопряжённых с ними поверхностей шпинделя. Данное направление 5 повышения точности имеет ограничение в виде уровня развития технологических процессов обработки, достигнутого на данный момент времени. Поэтому поиск других методов, направленных на повышение точности вращения шпинделя - важная научная и практическая задача.

Общие выводы.

1. Установлено, что силовой механизм возникновения колебаний оси вращения шпинделя определяется, в основном, воздействием низкочастотных гармоник спектрального разложения отклонения формы дорожек качения подшипников опор (первые 10-15 гармоник).

2. Доказано, что ориентацией колец подшипников по низкочастотным гармоникам отклонения формы дорожек качения возможно выравнивание жёсткости по углу поворота и снижение величины биения оси вращения шпинделя до двух раз.

3. Определено, что кинематический механизм возникновения колебаний оси вращения шпинделя определяется, так называемыми «резонансными» гармониками спектра, номера j которых кратны числу тел качения г в подшипниках опор плюс/минус единица.

4. Исследования показали, что при оптимальной ориентации сепараторов и колец подшипников, содержащих «резонансную» гармонику, достигается взаимная компенсация колебаний, генерируемых подшипниками шпиндельных опор, при которой точность вращения шпинделя повышается в 5-10 раз.

5. Предложен способ снижения величины радиального биения шпинделя при двух и более подшипниках в опоре на 30-60% .

6. Определена закономерность повышения точности вращения шпинделя при увеличении числа подшипников в передней опоре ШУ. Проведённые исследования показывают, что при увеличении числа подшипников в передней опоре от 1 до 4 возможно снизить биение оси вращения до двух раз.

7. Установлено, что при вращении нагруженного шпинделя на идеально точных опорах качения возникают колебания оси вращения , функционально определённые частотой прохождения тел качения по наружному кольцу. Амплитуда колебаний находится в диапазоне от тысячных до десятых долей микрометра.

208

8.Колебания оси вращения шпинделя по п.7 определяются конечностью числа тел качения в подшипниках и условиями входа/выхода тел качения в силовой контакт с дорожками качения.

9. Определены условия по п.7 достижения предельной, минимально возможной величины биения оси вращения шпинделя за счёт оптимального сочетания нагрузки и величины зазора/натяга в опорах.

1. Аверьянова И.О. Обеспечение на стадии проектирования характеристик работоспособности высокоскоростных шпиндельных узлов на радиально-упорных шариковых подшипниках: Дис.канд. техн. наук. М., 1995. - 143 с.

2. Ауступенас Р.В. Влияние перемещений тел качения на жёсткость подшипников с учётом поперечных колебаний внутреннего кольца // Труды вузов Лит. ССР. Вибротехника. 1969. - № 1/6. - С. 73-79.

3. Бальмонт В.Б., Горелик и.Г., Фигатнер A.M. Расчёты высокоскоростных шпиндельных узлов. М.: ВНИИТМЭМР, 1987. - 52 с.

4. Бальмонт В.Б., Журавлёв В.Ф. Упругие свойства быстровращающегося шарикоподшипника // Машиноведение. 1985. - № 4. - С. 7-16.

5. Бальмонт В.Б., Зверев И.А., Данильченко Ю.М. Математическое моделирование точности вращения шпиндельных узлов // Изв. вузов. Машиностроение. 1987. -№ 11. - С. 154-159.

6. Бальмонт В.Б., Матвеев В.А. Опоры качения приборов. М.: Машиностроение, 1984. - 240 с.

7. Бальмонт В.Б., Сарычева E.H. Вибрация подшипников шпинделей станков. М.: НИИМаш, 1984. - 64 с.

8. Бейзельман Р.Д., Цыпкин Б.В., Перель Л.Я. Подшипники качения: Справочник. М.: Машиностроение, 1975. - 572 с.

9. Бидерман В.Л. Прикладная теория механических колебаний. М.: Высшая школа, 1972. - 416 с.

10. Болотов Б.Е., Маринин В.Б. Расчёт виброускорений радиального шарикоподшипника от волнистости желоба внутреннего кольца // Труды вузов Лит. ССР. Вибротехника. 1969. - № 3. - С. 77-83.

11. Болотов Б.Е., Маринин В.Б. Об удельном весе виброускорений, обусловленных волнистостью и гранностью желобов колец и шариков в вибрациях всего шарикоподшипника // Труды вузов Лит. ССР. Вибротехника. 1970.1(10). С. 133-137.

12. Бондарь С.Е., Вергилис И.С. Шпиндельные узлы прецизионных станков. М.: НИИМаш, 1975. - 120 с.

13. Бурмистров А.Н., Галахов М.Л. Параметрические колебания ротора на шарикоподшипниках//Машиноведение. 1983. -№2. - С. 75-81.

14. Бурмистров А.Н., Галахов М.Л. Расчёт подшипниковых узлов. М.: Машиностроение, 1988. - 276 с.

15. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Наука, 1969. - 576 с.

16. Вибрация в технике: В 6 т. / Под ред. К.В.Фролова. 2-е изд., испр. и доп. - М.: Машиностроение, 1995. - Т. 1,3.

17. Волков Л.К., Ковалёв В.К. Вибрация и шум электрических машин малой мощности. Л.: Энергия, 1979. - 206 с.

18. Воронков И.М. Курс теоретической механики. М.: ФМ, 1961. - 596 с.

19. Герасимова Н.Н., Суханова В.В. Исследование влияния волнистости рабочих поверхностей деталей радиально-упорного шарикоподшипника на уровень вибраций // Труды ВНИИП. 1965. - № 2. - С. 74-83.

20. Горелик И.Г. Разработка методов расчёта и повышения качества высокоскоростных шпиндельных узлов: Дис. . канд. техн. наук. М., 1987. -252 с.

21. Данильченко Ю.М. Повышение точности вращения шпиндельных узлов на опорах качения: Дис. .канд. техн. наук. М., 1987. - 220 с.

22. Данильченко Ю.М., Фигатнер А.М., Бальмонт В.Б. Повышение точности вращения высокоскоростных шпиндельных узлов на подшипниках качения // Станки и инструмент. 1987. - № 7. - С. 14-17.

23. Дженкинс Г., Ватте Д. Спектральный анализ и его приложения. М.: Мир, 1972. - 320 с.

24. Детали и механизмы металлорежущих станков: В 2 т. / Под ред. Д.Н.Решетова. -М.: Машиностроение, 1972. Т. 2. - 520 с.

25. Журавлёв В.Ф. Некоторые задачи статики и динамики ротора в неидеальных подшипниках: Дис. .канд. физ.-мат. наук. -М., 1970. 139 с.26. .Журавлёв В.Ф. Прикладные методы в теории колебаний. М.: Наука, 1988.-325 с.

26. Журавлёв В.Ф., Бальмонт В.Б. Механика шарикоподшипников гироскопов / Под ред. Д.М.Климова. М.: Машиностроение, 1985. - 272 с.

27. Заппаров К.И., Коршунов В.К. Динамика ротора на шарикоподшипниках // Машиноведение. 1980. - № 3. - С. 96-99,

28. Зверев И.А. Многокритериальное проектирование шпиндельных узлов на опорах качения: Дис. .докт. техн. наук. М., 1997. - 227 с.

29. Зверев И.А., Бальмонт В.Б., Данильченко Ю.М. Математическое моделирование точности вращения шпиндельных узлов // Изв. вузов. Машиностроение. 1987. - № 11. - С. 154-159.

30. Зверев И.А., Самохвалов Е.И., Левина З.М. Автоматизированные расчёты шпиндельных узлов // Станки и инструмент,-1984,- № 2. С. 11-14.

31. Кельзон A.C., Циманский Ю.П., Яковлев В.И. Динамика роторов в упругих опорах. М.: Наука, 1992. - 280 с.

32. Ковалёв М.П., Народецкий М.З. Расчёт высокоточных шарикоподшипников. М.: Машиностроение, 1975. - 279 с.

33. Копелев Ю.Ф. Зависимость статических и динамических характеристик шпиндельных узлов от параметров опор // Жёсткость машиностроительных конструкций: Тезисы докладов научно-технической конференции. Брянск, 1976,-С. 122-125.

34. Корн. Г., Корн К. Справочник по математике. М.: Наука, 1973.832 с.

35. Кульвец А.П. Колебания жёстких валов, вращающихся в прецизионных подшипниках // Труды вузов Лит ССР. Вибротехника. 1973. - № 3(20). -С. 333-339.

36. Курилов Г.В. Анализ причин и источников вибрации нагруженных электродвигателей серии ПЭД // Машиноведение. -1984. № 3. - С. 28-35.

37. Левина З.М., Астафьев A.M. Расчёты при автоматизированном проектировании шпиндельных узлов // Станки и инструмент. -1981. № 6. - С. 4-8.

38. Левина З.М., Зверев И.А. Расчёт статических и динамических характеристик шпиндельных узлов методом конечных элементов // Станки и инструмент. 1986. -№ 10. - С. 7-10.

39. Лизогуб В. А. Несущие системы и шпиндельные узлы металлорежущих станков: Учебное пособие. М.: Машиностроение, 1977. - 121 с.

40. Павлов А.Г. Прогнозирование колебаний шпинделя точного станка при кинематическом воздействии //Изв. вузов. Машиностроение. 1979. -№12.-С. 135-142.

41. Пиотрашке Р. Исследование влияния погрешности формы дорожки качения роликового подшипника на точность вращения шпинделя: Дис. .канд. техн. наук. -М., 1973. 130 с.

42. Подшипники качения: Справочное пособие/ Под ред. Н.А.Спицина, А.И.Спришевского и др. М.: ГНТИМ, 1961. - 596 с.

43. Поздняк Э.Л., Зубренков Б.И. О расчёте вибраций обусловленных несовершенством подшипников // Машиноведение. 1976. - № 5. - С. 17-23.

44. Портман В.Т., Шустер В.Г. Модель выходной точности станка // Вестник машиностроения. 1983. - № 9. - С. 30-33.

45. Портман В Т., Шустер ВТ., Ребане Ю.К. Расчёты точности станков: Методические рекомендации. М.: ЭНИМС, 1983. - 84 с.

46. Портман В.Т., Шустер В.Г., Фигатнер A.M. Оценка выходной точности шпиндельных узлов с помощью ЭВМ // Станки и инструмент. 1984.2. С. 27-29.

47. Приборные шариковые подшипники: Справочник. М.: Машиностроение, 1981. - 351 с.

48. Проектирование металлорежущих станков и станочных систем: В 3 т. / Под ред. А.С.Проникова. -М.: Машиностроение, 1994. 444 с.

49. Проников A.C. Программный метод испытаний металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1985. - 288 с.

50. Пуш A.B. Многокритериальная оптимизация шпиндельных узлов // Станки и инструмент. 1987. - № 4. - С. 14-18.

51. Пуш A.B. Оценка качества станков по областям состояний их динамических характеристик // Станки и инструмент. 1984. - № 7. - С. 9-12.

52. Пуш A.B. Шпиндельные узлы: качество и надёжность. М.: Машиностроение, 1992. - 288 с.

53. Рагульскис K.M., Юркаускас А.Ю. Вибрация подшипников. Вильнюс.: Минтис, 1974. - 391 с.

54. Расчётный анализ деформационных, динамических и температурных характеристик шпиндельных узлов при проектировании: Методич. рек. / З.М.Левина, И.Г.Горалик, И.А.Зверев, А.П.Сегида М.: ЭНИМС. 1989. - 64 с.

55. Решетов Д.Н. Детали и механизмы металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1972. - Т. 1,2.

56. Решетов Д.Н. Повышение точности металлорежущих станков. М.: НИИМаш, 1979.- 110 с.

57. Решетов Д.Н., Портман В.Т. Точность металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1986. - 336 с.

58. Селезнёва В.В. Связь параметров круговой траектории оси шпинделя с показателями качества детали // Станки и инструмент. 1985. - № 1. - С. 8-9.

59. Спришевский А.И. Подшипники качения. М.: Машиностроение, 1969.-632 с.

60. Талиан Г., Густафсон О. Успехи в исследовании вибраций подшипников качения и снижении их уровня // Механика. 1965. - № 6. - С. 31-52.

61. Тимошенко С.П. Колебания в инженерном деле. М.: Наука, 1967.444 с.

62. Фигатнер А.М. Прецизионные подшипники качения современных металлорежущих станков. М.: НИИМАШ, 1981. - 72 с.

63. Фигатнер А.М. Тенденции развития конструкции шпиндельных узлов с подшипниками качения // Станки и инструмент. 1978. - № 10. - С. 16-18.

64. Фигатнер A.M., Бондарь С.Е., Фискин Е.А. Применение пластических смазок в высокоскоростных опорах качения шпиндельных узлов // Станки и инструмент. 1971. - № 9. - С. 9-11.

65. Фигатнер A.M., Пиотрашке Р., Фискин Е.А. Исследование точности вращения шпинделя с радиальным роликоподшипником // Станки и инструмент. 1974. -№ 10. - С. 19-22.

66. Фигатнер A.M., Фискин Е.А., Бондарь С. Е. Конструкция, расчёт и методы проверки шпиндельных узлов с опорами качения: Методические указания. М.: ЭНИМС, 1970. - 152 с.

67. Фигатнер A.M. Расчёт и конструирование шпиндельных узлов с подшипниками качения металлорежущих станков. М.: НИИМАШ, 1971. - 196 с.

68. Фигатнер A.M. Шпиндельные опоры качения высокоточных станков. -М.: ЭНИМС, 1964. 112с.

69. Чернянский П.М. Научные основы формирования высокой точности и производительности станков в условиях силового нагружения и примеры создания принципиально новых конструкций: Дис. .док. технн. наук. М., 1985. -472 с.

70. Чернянский П.М., Краснов И.Д. Оптимальные параметры шпиндельных узлов с учётом нелинейной жёсткости опор // Изв. вузов. Машиностроение. 1982. -№ 2. - С. 123-127.

71. Якубович В.А., Старжинский В.М. Параметрический резонанс в линейных системах,- М.: Наука, 1987. 328 с.

72. Якушев А.И. Взаимозаменяемость, стандартизация и технические измерения. М.: Машиностроение, 1987. - 352 с.

73. Beercheck R.C. Listening for the Sound // Machin Design. 1976, Nov. -№25.-p. 82-86.

74. E. Meldau Werkstall und Betrieb. 1951. - № 7. - C.308-313.215

75. Perret Elastische spiclschwingungen konstant be lasteter // Werkstall und Betrieb. 1950. - № 8. - C. 354-358.

76. Tamura A., Tamiguchi O. On the Axial Harmonie Vibration, Caused by Passing Balls in a Ball Bearings // Bulletin of JSME,4. 1961. - № 156. - C. 482-488