автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Моделирование компоновок токарных станков на стадии концептуального проектирования для обеспечения параметрической надежности суппортной группы

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РФ ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАНИЮ

МОСКОВСКИЙ -ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "СТАНКИН"

направахрукопнсн

МУССА Ибрахнм Элнас

УДК 621.9.06.001.57

Модсжнрованне компоновав токарных станков на сталнн конжптуажыюго проектирование для обеспечения параметрической надежности суппортной группы.

Специальность 05.03.01 - Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент.

АВТОРВФВРАТ

ф

на соискание учено* степени кандидата технических наук

Москва 1995

Работе шполнгш г Московском Государстггшюм Технологическом Университете "СТАНКИН".

Научный руководитель: - воггор технических наук,

профессор Пуш А. В.

Официальные оппонеиты: - доктор технических наук,

профессор Беляев В. Г. - кандидат технических наук, доцент Ильяшев А.В.

Ведущая организация: - АО "Красный Пролетарий "

Защита состоится "16" марта 1995 г. в 14 часов на заседали! специализированного совета К 063. 42. 05 в Московс ко* Государственном Технологическом Университете " СТАНКИН" пс адресу: 101472, ГСП, Москва, Вадковский переулок, д. 3 - а, телефон 972-94-78.

С диссертацией можно ознакомиться » библиотеке Московскогс Государственного Технологического Университета "СТАНКИН"

Автореферат разослан " 15 " февраля 1995 г.

Ученый секретарь специализированного совета к. т. н., доцент

Поляков Ю. П.

Актуальность работы: В настоящее время как в России, так и за ежом широкое применение получили двухсуппоргаые токарные яки, которые имеют ряд преимуществ по сравнению с циционными компоновками.

При проектировании подобных компоновок конструкторы тоянно ведут поиски оптимальных соотношений между наклоном «кости направляющих я их расположением по отношению к кцделю станка, руководствуясь интуитивными представлениями о токнетвах и недостатках тех или ильк вариантов конструкций, окившимися еще при проектировании станков традиционных шоновок из-за отсутствия методики расчета и выявления четных схем а соответствующими сочетаниями рабочих граней.

От выбора компоновки зависит и износ направляющих, который «водит к изменению траектории движения суппорта, и, тем самым, ютерс точности обработки.

Разработка методики расчета направляющих наклонных кпоновок на стадии концептуального проектирования, следование процесса изнашивания направляющих с дальнейшим ошозированием их ресурса и формы их изношенной поверхности зволяют прогнозировать параметрическую надежность станка и оцесс потери точности станком.

Результаты данной работы могут быть использованы на стадии нцептуального проектирования для выбора рациональной мпоновки станка, а на стадии эксплуатации - для разработки гтимальной технологии обработки в зависимости от требуемой чности, а также для организации рациональной системы ремонта и хнического обслуживания. Поэтому задача исследования клошгых компоновок с прогнозированием потери точности станка зависимости от износа его направляющих является актуальной и травлена на практическую реализацию научно-технической задачи жышения качества и надежности суппортной группы станка.

Цель раб<гпд: Обеспечение наибольшей параметрической недеж-зсти суппортной группы двухсуппорпшх токарных станков путем >мплексного моделирования их компоновок на стадии концепту-(ыюго проектирования и достижения минимальных давлений и аксимального ресурса по точности на гранях направляющих.

Метопы исследования; В работе проведены теоретические и кспериментальные . исследования .Теоретические исследования ьтолнены на основе положений станковедения, теории надежности ашин, трибологии, теории вероятностей и математической гатистики, теории точности , математического моделирования, атематического анализа, методов численного интегрирования.

Моделирование исследуемых в работе компоновок проводились а персональных компьютерах типа IBM PC/AT - 486. Правомер-ость основных положений предлагаемого в работе метода прогнози-ования изменения траектории опорной точки суппортной группы, в

следовательно точности обработки на станке, проверена при экспе риментальных исследованиях в условиях заводской эксплунташи токарных станков модели 17Л20ПФ30 с помощью лазерной измери тельной системы модели НР-5528А фирмы "Hewlett Packard" (США).

Магам шваака состоит в разработке:

♦ алгоритмов и моделей для проектирования на ранних стадия: компоновок двухсугаюртных токарных станкоз при варьировата параметров и нагрузок, в также для выбора параметров компоновок обеспечивающих максимальный ресурс направляющих по точности;

« моделей и алгоритмов для прогнозирования параметрической надежности суппортной группы с учетом вероятностного характера режимов нагруження и реальных условий эксплуатации станков.

Практичсу.удя П'У1Е,'Л()ст*т заключается в :

♦ программно-методическом комплексе для автоматизированной моделирования компоновок токарных станков на стадю концептуального проектирования;

♦ установлении целесообразности применения для двухсуппортны) токарных станков объемных суппортов с линейной или ломаной компоновкой станины;

♦ методике и моделях для прогнозирования параметрической надежности суппортной группы с учетом реальных условий эксплуатации станков;

♦ рекомендациях по выбору параметров компоновки двухсуппортных токарных станков.

Реатазания работы: Результаты исследования использованы на А/О станкостроительный завод" Красный Пролетарий "при разработке семейства моделей станков 17А20 и в МГТУ "СТАНКИН" при создании курса "Основы проектирования технологических машин".

АпрдЯапия работу: Основные положения диссертационной работы докладывались на международных научно-технических конференциях в Нижнем Новгороде и Хабаровске в 1992 г., на кафедре "Теория технологических машин" МГТУ "СТАНКИН" в 1993' 199S гг., на научных семинарах кафедры " Автоматизированные станочные системы и инструмент * МГААТМ в 1991 - 1993 гг.

Публикации: Основные положения диссертации изложены в пяти печатных работах.

Структура и объем работы: Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Диссертация содержит 107 страниц основного текста, 81 рисунок, 28 таблиц, I приложение и список литературы из 11$ наименований.

Содержание работы.

Во введении обоснованы актуальность работы, сформулированы основные положения, выносимые на защиту, отмечена научная Hoiui uia, практическая полезность и реализация исследований.

А

В первой главе дается обзор литературы. Рассматриваются »боты, характеризующие современное состояние вопроси расчета я нализя компоновок направляющих металлорежущих станков и лияниа износа базовых деталей на параметрическую надежность танка. Сформулированы цель и основные задачи исследования.

Направленность диссертационной работы сформулирована под лиянием и при анализе трудов отечественных и зарубежных ученых: >. И. Аверьянова, В. Г. Беляева, Ф. Боудеиа, В. В. Бушугаа, Э. Д. Врагова, Г. Данова, С. И. Досысо, Ю. И. Городецкого, I. Л. Заковоротного, В. В. Каминской, 3. А. Куликова,

». Ф. Кушнира, А. С. Лапидуса, 3. М. Левиной, Мак-Грегора, [. С. Мураписина, С. Л. Мурашкина.Г. Ошгща, В. Т. Порплана, к. С. Пронгасова, В. Э. Пуша, А. В. Пуша, X. С. Раввы, I. Н. Рсшетова, Д. Тейбора, Г. Флейшера, В. С. Хомякова, Г. Опура и др.

Рассмотрено влияние процессов различной скорости на точность I параметрическую надежность-.калебателькых, тепловых процессов и [знашивания на параметры точности, проанализирован износ ¡азовых деталей станков. Фундамеоталышм исследованиям в области 1зноса станков посвящены труды проф. А. С. Протасова и его ■чеников. Скорость изнашивания может быть выражена «висимостью у-кршуп, где р - давление на поверхности трения; V-жорость относительного скольжения; к - коэффициент износа, характеризующий материал пары и условия изнашивания; т, п - экспе-мменггальные коэффициенты, характеризующие вид изнашивания.

Рассмотрены модели и методики расчета направляющих гокарных станков различных компоновок.За сонову принята методика и модели, предложенные проф. Д. Н. Решстовым. Изучены заботы, в которых указано на преимущества вероятностного подхода три оценке качества и надежности станков.

В настоящее время при проектировании компоновок конструкторы руководствуются интуицией и результатами экспериментальных исследований станка-прототипа или опытного образца. В современных условиях для создания высокопроизводительного станочного оборудования при минимальных затратах наиболее перспективным представляется осуществлять автоматизированный расчет компоновок направляющих с учетом режимов эксплуатационных нагрузок, т.е. применять вероятностный подход при анализе характер* износа и оценке параметрической надежности уже на ранних стадиях проектирования.

Отмечена необходимость прогнозирования ресурса (срока службы) направляющих и формы их изношенной поверхности на стадии проектирования компоновки в связи с тем, что отклонение реальных траекторий опорной точки суппорта от номинала, нарушал при этом выходные и точностные параметры станка, происходит, в первую очередь, при износе направляющих.

*

Отмечено также, что лри ускоренных испытаниях (износ медленно протекающий процесс) форсирование условий иагружа приводит к изменению закономерностей износа по сравнению условиями эксплуатации и полученные таким образом результаты всегда могу; быть использованы практически. Отсюда следует, < самым эффективным методом, позволяющим лропюзирош скорость изнашивания направляющих и, соответственно, их ср службы до отказа с дальнейшим построением формы изношенной

- поверхности, является метод статистических испытаний (Мот Карло), позволяющий уже при. проектировании оцет параметрическую надежность.

Исходя из изложенного, основные задачи работы бь сформулированы следующим образом:

1. Разработать программно-методический комплекс, позволяю!! производить выбор компоновок токарных станков на стад концептуального проектирования по критерию минимума даме» на рабочих гранях направляющих суппорта, варьируя при этом угл наклона направляющих, положением шпинделя относитель направляющих и режимами иагружения.

2. Выявить расчетные схемы для линейных или объемных суппортом соответствующими сочетаниями рабочих граней направляющих установить условия работы в каждой расчетной схеме в зависимо! от значения меняющихся параметров, перечисленных выше.

3. Разработать модели, программное и методическое обеспечен] позволяющее для выбранной вомпоновки прогнозировать ресурс точности, форму изношенной поверхности и параметрическ надежность суппортной труппы с учетом вероятностного характс режимов нагружения и реальных условий эксплуатации станка.

4. Создать программно-графическое обеспечение, позволяют! представлять результаты расчетов линейных и объемных комлонов в виде графиков и гистограмм, что даст конструктору возможно наглядно выбрать наилучший вариант конструкции в соотвстстви» наилучшими условиями работы направляющих еще на ста/ проектирования.

5. Проводить прогноз ресурса или срока службы направляхш различных компоновок двухсуплортного токарного станка с при» нением вероятностного подхода и с учетом влияния холостых ходо! вспомогательных времен на скорость изнашивания направляющих.

6. Провешить прогноз формы изношенной поверхности направляюи

■ на основе вероятностных характеристик, действующих на I

факторов с учетом влияния износа направляющих на измене» траектории опорной точки суппорта и снижении точности станка.

7. Проверить работоспособность разработанных методик и программ! математического обеспечения на примере компоновок ссмейс даухсушюртиых токарных станков высокой производительное проектируемых » ус.юииях стаикостроитс:1ьного завода.

Вторая глава посвящена разработке методики и модели гоматизированного расчета направляющих токарных станков 1ЛИЧИЫХ компоновок.

Отмечено, что сравнительный анализ компоновок необходимо ¡полнятъ на ранних стадиях проектирования при минимальной нкретизации конструкции, так как в зависимости от компоновки | разному располагаются в пространстве силы, действующие иа прааляющие, по-разному расположен ходовой винт относительно правляющих и, соответственно, по-разному приложены крутящие )менты к направляющим. Отсюда следует, что компоновка опреде-ет давления на направляющих, соответсти'чшо форму их ианошен->й поверхности и ресурс по точности. Следует отметать, что основами факторами, которые необходимо учитывать при анализе •мпоновок, являются обеспечение точности обработки и ее сохра-;ние в течение срока службы, обеспечение точности и технологач-хли изготовления базовых деталей, хороший сход стружки, обство обслуживания, возможность реализации модульного жнципа конструирования.

Результаты проведенного сравнительного анализа компоновок ироко распространенных двухсуппортных токарных станков жазали, что компоновки 128 моделей станков, выпускаемых 102 ирмами а разных странах (Россия, США, Италия, Германия, 'ранция, Испания, Швейцария, Швеция, Япония и др.), (определяются следующим образом: горизонтальное расположение щравляющих в одной плоскости (линейные) - 25,8% (рис. 1а); ¡ртикальное линейное - 15,6% (рис. 1в); наклонное линейное -4,2% (рис. 1б);с направляющими, расположенными в резных поскостях (ломаные) - 14,4% (рис. 2).

Сопоставление типов станин по числу координат показывает, го компоновка станков с числом координат больше двух спользустся в следующем отношении <гт их количества: при >ризонтальном расположении - 15%; при вертикальном - 50%; при аклотшом - 31%; при сложной форме - 61%.

Отсюда следует, .что для двухсуппортных токарных станков мест место тенденция применения наклонных и вертикальных танин со сложным расположением направляющих. Это объясняется см, что при линейной компоновке направляющих двухсуппортных окарных станков (горизонтальной, наклонной или вертикальной) дин суппорт работает на прижим, другой - на отрыв. Суммарная ила резания Р, направленная под углом 27°...30° к вертикали (рис. а), на один суппорт действует благоприятно, проходя между [аправляющими, а на другой - нет, создавая дополнительный момент ¿доп-Р*. который существенно влияет на точность и долговечность оправляющих. Кроме того, такие суппорта (рис. 1) и каретки имеют тносительно низкую жесткость и подвергаются существенным грогибам. В следствие этого, линейное расположение направляющих шляется менее предпочтительным для двухсуппортных станков по

сравнению с компоновками с применением объемного суппорта и сложного профиля станины (рис. 2), так как меняется схема нагру-жения и соотношение нагрузок на направляющих и планках, создавай при этом благоприятные условии для работы налргдляюших. Кроме того, модульный принцип конструирования лучше всего может быть реализован при сложной компоновке, которая является наиболее благоприятной для создания модульных конструкций совершенно разного назначения.

Разработан И программно реализован алгоритм автоматизированного выбора расчетной схемы для различных компоновок с плоскими и объемными суппортами, так как основной особенностью расчета направляющих наклонных компоновок является то, что в зависимости от соотношения величин силы резания, угла наклона суппорта и смещения оси шпинделя относительно а^ршхяюших даже для одной компоновки имеется несколько расчетных схем, обличающихся друг от друга различным сочетанием рабочих /раней направляющих. В нашем случае такие расчеты провозились верхних и нижних суппортов линейных и объемных компоновок при варьировании угла наклона каждого суппорта от 0° до 90°, значения силы резания Р, от 0 до 10000 Н и значения смещения оси шпинделя относительно направляющих от -30 до +30 мм. (в пределах конструкторских ограничений ). В качестве примера представлена схема нагружения верхнего суппорта линейной компоновки (рис.3), вместе е основными уравнениями для первой расчетной схемы:

= 0; £-<? +(Д| + + Л, + = 0

0,Р, соее + P,úna - Resina + Л, сое а - Л, sin а + сова = 0

Pf «in а - Pt со* а - £ О, + Л, со* а + Л,йпа + Л, сов а - сов в = 0

ЗДг-ог

(/^ cota + Рх sin а^, + 0.5D sin а) + (Pf *in а - Р, coaa)(St - 0.50 cosa)-

С,У,

2>r -0;

P.Zf, +(pr*ia + pt co*a)Xf> -GtX0j + GtX0, - G,X0) + GnX0¡¡ + <?,ДГ0> -

-QZ0 + + + + Л, со* аЯГд + Я, tin а +

+Л, соваДГА + Л, солаХ^ = 0

-ü5Í)co*e) + (/^co*o + Р(йпа)хг> -Q-ссяа + R^sinaX^ +

*l,co»aXK *R¡ünaXtl + Я, sin cuTv+ (л,ГЛ + + RJT^ - Л,^)/ = 0

Система трижды статически неопределима Для раскрытия статической неопределимости внешний момент распределяется между

в

направляющи ми пропорционально их приведенным ширин применяются уравнения о совместности деформаций на передних задних гранях направляющих, а также уравнение момент относительно центра тяжести системы в плоскости XOZ.

Во второй главе диссертации определены и указаны расчетные схемы для суппортов линейной и объемной компонов вместе с условиями работы каждой расчетной схемы.Расчс. проведены в отдельности для верхних и нижних суппортов обе компоновок с представлением основных и дополнитслы уравнений, необходимых для проведения расчета направляю« указанных компоновок. Расчеты проводятся с' помои программного комплекса, реализованного на языке Borland С++ , IBM PC/AT в диалоговом режиме. Программы дают возможно рассмотреть большое число вариантов нагружения; правиль выбрать схему нагружения компоновки; варьировать значениями 1 а и Sbj при синтезе и сравнении компоновок; проводить изменения исходных данных на стадии концептуального лросктирова> компоновки; получать области распределения давления на направ юших, гистограммы и эпюры средних и максимальных давлений каждой грани направляющих при варьировании режимов наг жений. В результате расчета определяется значения реакций и координат на всех рабочих гранях направляющих, значение си тяга привода, значения средних и максимальных давлений, дейсп ющих на каждой грани направляющих. Устанавливаются зависим« этих давлений по отношению к углу наклона суппорта, смещен оси шпинделя относительно направляющих и силе резания.

В третьей гппве проводится анализ полученных во второй гл, результатов автоматизированного расчета направлякш двухсуппортных токарных станков различных компоновок.

Анализируя полученные с помощью PC результаты, след отмстить, что полученные зависимости изменений давлений гранях направляющих от угла наклона суппорта, силы резания смешения оси шпинделя представляются наглядной основой, кото] даст конструктору возможность выбрать рациональный, с w зрения минимизации давлений на гранях направляющих, вариа компоновки на стадии концептуального проектирования станка.; зависимости являются важной характеристикой, так как раскрыва суть процесса нагружения граней направляющих и, тем самь процесса их износа и влияния этого износа на точность рабс станка. Кроме того, дается представление о предполагаемой фор изношенной поверхности направляющих, которая в свою очере зависит от эпюры действующих давлений и режима работы станка.

Отмечено, что объемные компоновки супнор предпочтительнее. Для верхнего суппорта при прочих равн условиях максимальные давления на направляющих в 2 - 5 раз них чем у плоских суппортов с линейной компонопк< Haiiptu».aa>ouutx.Значения средних давлений несущественно ( в 1.5

3,5 раза ) меняются в зависимости от угла наклона (см.рис.4 и 5), в то время как функция максимальных давлений от угла наклона направляющих имеет сложный характер, несколько минимумов и максимумов, а разность в значениях давлений даже для одной грани может колебаться до 100 раз.

Кроме того, для верхних и нижних суппортов с линейной компоновкой угол наклона направляющих следует принимать а —25°...35°, 55°...65° и 90°, что обеспечивает минимальные значения средних и максимальных давлений на направляющих, хороший сход стружки, удобства обслуживания.Наихудшие результаты имеют место при значениях а - 40° ... 50° (рис.4), так как значения давлений резко возрастают.

Для объемных суппортов ломаной компоновки направляющих угол наклона лучше всего принимать а — 25°...350,550...65° для верхних суппортов и 25°...35°,60"...70° и 90° для нижних (рис.5), что обеспечивает вышеперечисленные преимущества.Наихудшие значения а -40°...50° (рис.5), так как при этих значениях резко увеличиваются значения максимальных давлений на направляющих.

Четвертая глава посвящена прогнозированию ресурса направляющих токарных станков с объемными суппортами.

На первой стадии исследования рассматриваются три разных способа формирования базы исходных данных, позволяющие получить достоверную информацию о характере режима ндгружения станка, необходимую для прогнозирования ресурса направляющих .Анализ результатов (выборки составляли около 500 значений режимов), полученных при разных способах формирования базы исходных данных показал, что расхождение между результатами лежит в пределах от 0,4 до 2,9 V», что не значимо .

Для определения значений давлений, действующих на гранях направляющих верхнего и нижнего суппортов станка модели 17А20ПФ30, применяется та методика, которая была изложена во второй главе.

Отмечено, что для верхнего суппорта имеет место только одна расчетная схема, а для нижнего - три, в зависимости от значения силы резания. Для каждой грани направляющих построены гистограммы и области распределения реакций при учете законов 'распределения эксплуатационных на|руэок, полученных при формировании базы данных. Результаты расчетов подробно представлены в диссертации.

Получив необходимые результаты и применив их в качестве исходных данных, становится возможным прогнозировать ресурс для каждой грани направляющих.

Общий методический подход к прогнозированию ресурса направляющих станков и оценке их параметрической надежности на основе учета закономерности физических процсссов^ейстаующих

че 1« >е 4«

Р

0.4

о.(

о.а а) о

МПа

а)

"те*/

80 40 М М ТО К до 5ЛПО

__ЗР^*-

<о ¿о го 4» <о * 6) ® ¡о 40 ¿о »о 70 во со *

Рис. 4. Средние (а) и максимальные (б) давления на направляющих

верхнего суппорта линеинои компоновки.

МП«

МПа

« ш го «в боию яо во ИПв

о)

10 мм эд л «ото

НПо

1» М М <М л ¿0 ТО ¿в во & 5) о «»О »04» «о*» то во «о

Рис. 5. Средние (а) и максимальные (б) давления на направляющих нижнего суппорта объемной компоновки.

при их эксплуатации и изменяющих выходные параметры точности, предложен проф. А. С. Прониковым.

На основе этоГО М?™ВДчсскога Подхода ¿«ли построены методика и алгоритм прогнозирования ресурса направляю объемных компоновок. Суть методики заключается в том, что влияющие ш скорость изнашивания направляющих параметры учитываются в зависимости от их законов распределения с помощью метода статистических испытаний, который при вероятностном подходе позволяет прогнозировать износ направляющих.Основная идея этого метода заключается в многократном расчете скорости изнашивания по известной математической модели (у К Рш V0), описывающей процесс изнашивания направляющих. При этом для случайных параметров, входящих в указанную формулу перебираются наиболее вероятные их значения в соответствии с законами распределения.Напучив большое число реализаций (п>100) при многократном повторении испытаний по данной модели ".ОХ",О оценить ход процесса изнашивания направляющих й его основные параметры .Такой подход выполним лишь при применении ЭВМ.

Исходя из всего выше сказанного разработан пакет программ, который позволяет формировать базы необходимых для расчета исходных данных, проводить расчет направляющих любого из суппортов станка модели 17А20ПФ30, получить гистограммы распределения средних и максимальных давлений на любой грани направляющих, генерировать случайные числа подавлению, скорости скольжения суппорта и коэффициенту изнашивания, исходя из законов их распределения, определить скорости изнашивания направляющих и скорости изменения параметра износа, расчитать значении ресурсов (сроков службы) направляющих при задании значения вероятности безотказной работы станка, соответствующей определенному классу точи ости. Возможно и решение обратной задачи, то есть определение значения вероятности безотказной работы станка при задании необходимого значения ресурса и построение гистограммы величин параметров износа направляющих", которая позволяет получить закон распределения времени работы станка, что является его полной характеристикой надежности, так как при любом фиксированном значении времени работы направляющих становится возможным определить вероятность безотказной работы станка по ' регламентированным параметрам точности.

Отмечено, что значения ресурса, полученные при моделировашш только рабочих нагрузок ( с учетом только Тм) занижены относительно реальных значений, полученных с учетом фактического времени работы станка и его коэффициент технического использования (рис.6). Конкретно для нижнего суппорта станка модели 17А20НФ30 при установленной вероятности безотказной работы Р(1)=0,95 ресурс оказался заниженным в 11,3 раза, для верхнего - 18,2 раза.

Прогнозирование ресурса по точности даст большой экономический эффект за счет сокращения объемов конструкторских работ на

стадии концептуального проектирования компоновки станка, за счет . уменьшения объема различного рода ' корректировок технической документации, сокращения сроков внедрения нового станка и повышения точности и .чадежности проектируемой компоновки за счет увеличения ресурса по точности и долговечности направляющих.

Пятая глава посвящена методике экспериментальных исследований и прогнозированию точности обработки с учетом износа направляющих.

Износ направляющей' является той геометрической характеристикой, которая непосредственно связана с потерей станком его точности, и следовательно его работоспособности. Поэтому для полной характеристики величины износа в каждой точке направляющих по их рабочей длине необходимо знать распределение износа по поверхности трения, то есть форму изношенной поверхности.

Общая формула для прогнозирования формы изношенной поверхности предложена проф. А. С. Прониковым.На ее основе в работе получены зависимости для прогнозирования формы изношенной поверхности направляющих станин наклонной компоновки. ,,

Отмечено, что для направляющих нижнего суппорта станка модели 17А20ПФ30 полученные на основе расчетов эгаоры давлений имеют триугольйую или трапецевидную форму. Кривая распределения общего пути трения описывается логнормальным законом распределения. Прогнозирование формы изношенной поверхности направляющих проводилось для всех граней нижнего суппорта, с целью определения в целом влияния износа направляющих на перемещения опорной точки суппорта, и тем самым на точность работы станка.

Рассматривалось влияние износа направляющих нижнего суппорта станка модели 17А20МФ30 на искажение траектории опорной точки суппорта как в продольном, так и в поперечном сечениях. При этом использовались формы изношенных поверхностей граней. Следует отметить, что для определения значения искажения траектории опорной точки суппорта (Д) в продольном сечении достаточно определить разность наибольшего и наименьшего износа на участке эпюры формы изношенной поверхности направляющей

' Д1 ™ ^Люд I - и^ 1

Значение отклонения траектории опорной точки суппорта в лоперечном сечении Д зависит от смещения инструмента в горизонтальном направлении и поворота суппорта вследствие износа направляющих.Предложены модели, с помощью которых определяется значите отклонения для каждой расчетной схемы, то есть как для черновой так и для чистовой обработки (см. рис.7).В случае черновой обработки значение отклонения опорной точки суппорта от прямолинейности можно определить по следующей модели:

' Л

Рис. 6. Схема формирования отказа:

а) без учета простоев станка;

б) с учетом простоев станка.

Рис. 7. Смещение вершины резца при износе направляющих: а) для черновой обработки;

Рис. 8. Сравнение результатов теоретических и экспериментальных исследований.

Д - и^т о - и4 + и$*аш б+и^(Н- и,*«« а+гЬ+и5*сеа е )/В - - Для чистовой обработки

а - и,"¡ЦП а - и2*81пр - 1)*4+ и4ф(Н- и^со» а-и2*сов р )/В

С помощью разработанных моделей определяем значен» отклонения в любом поперечном сечении станины, то есть дги любого участка направляющих.

При натурном эксперименте проводились измерен» отклонений опорной точки1 суппорта от прямолинейности.Цел] заключалась к определении отклонений траекторий опорной точю суппорта при изнашивании направляющих станины, в оценю точностных характеристик суппортной группы и станка в целом, ] оценке точности прогнозирования.

Объектом исследования являлись направляющие нижнеп суппорта двухсуппортного токарного станка модели 17А20ПФ30 Экспериментальные исследования проводились во врем) контрольных и подконтрольных испытаний с учетом воздействия ж станок реальных эксплуатационных нагрузок за определенны! период его эксплуатации (3000ч., 4000ч., 5000ч.), что обеспечивалс высокую достоверность получаемых результатов.

Оценка точности линейных траекторий суппортного узла станка производились при движении суппорта на холостом ходу с помощьк лазерной измерительной системы НР-5528А фирмы "Нсж1е1 Рас1сакГ (США), которая позволяет определить отклоненж траектории движения от прямолинейности суппорта станка в двуз взанмноперпендикулярных плоскостях с автоматической записью 1 графическом виде функции линейного и углового перемещения.

В комплект измерительной системы входят: » лазерная измерительная головка модели НР - 5528 А; о элекгоонный цифровой преобразователь модели НР - 5508; ♦ настольная микро-ЭВМ модели НР -85 А.

В результате исследования траектории движения суппорта от ( до 1000 мм, было зарегистрировано ее максимальное изменение, составившее для положения суппорта Ъ ™ 400 км в горизонтально! плоскости 1,5 мкм, в вертикальной плоскости - 2,8 хаем при 500С часов работы станка.

Сравнение результатов натурных и машинных эксперименте! (рис.8) ¡доведенное с помощью критерия %2 , показало, что при заданном уровне доверительной вероятности а ~ 0.05 расхожденж результатов не значимо.Это подтверждает правомерность основные положений предложенных методик проектирования компоновок и прогнозирования параметрической надежности и возможность ю практического применения.

Параметрическая надежность суппортной группы оценивалаа по двум показателям: вероятности безотказной работы Р(1) и запас] надежности по параметрам точности. При заданной вероятности

безотказной работы P(t) -0,9998 ресурс по точности для суппортной группы станка модели 17А20ПФ30 составил 7058 часов. Для регламентированного ресурса 16000 часов вероятность безотказной работы Р(1) - 0,9115. Запас надежности Kg по параметру "точность размера" составил для 5000 часов работы Кц ™ 1,83.

Основные результаты работы . Разработанный и внедренный программно-методический комплекс поззоляст:во-первых, для токарных станков проводить выбор компоновки на стадии концептуального проехгироаания (просмотреть большое число вариантов нагружения направляющих за ограниченное ОСу^СОТ?ЛЯ7Ь автоматический выбор расчетной

схемы; при сравнении вариантов компоновок »"¡^кровать значениями утла а наклона станины, положением йш оси шпинделя относительно направляющих и силы резания; выбирать оптимально: значения а и 5Ш по критерию минимума давлений на ^"-¿-srtx гранях направляющих; получать законы распределения давлений но направляющих); во-вторых, прогнозировать параметрическую надежность станка (прогнозировать ресурс направляющих по износу и форму изношенной поверхности направляющих с учетом реальных особенностей условий эксплуатации; учитывать влияние износа граней направляющих на изменение траектории движения опорной точки суппорта и точность обработки).

:. На основе анализа большого числа компоновок одно- и двухсуппортных токарных станков, выпускаемых 102 различными отечественными и зарубежными фирмами, и на основе результатов машинного эксперимента установлено, что предпочтительно применение объемных суппортов с линейной или ломаной компоновкой станины, исходя из обеспечения наименьшего износа направляющих, лучших условий работы приводов, лучшего схода стружки из зоны резания,удобства обслуживания и возможности реализации модульного принципа проектирования. Например, при прочих равных условиях максимальные давления на направляющих верхних суппортов объемной компоновки в 2 - 5 раз ниже, чем у плоских суппортов с линейной компоновкой направляющих.

>. Для компоновок с наклонным расположением станины имеют место разные расчетные схемы с различным сочетанием рабочих граней направляющих.Это вызвано изменением соотношений силы резания с весов элементов суппортной группы вследствие варьирования значений параметров: угла а наклона направляющих, положение оси шпинделя относительно направляющих, силы резания Pz .В частности показано, что для нижнего суппорта станка модели 17А2011Ф30 имеют место три различные расчетные схемы. Установлено, что на черновых режимах основную нагрузку воспринимают прижимные планки, на чистовых - нагрузка приходится на основные грани напраатяюших.

. Установлено, что параметром, оказывающим наибольшее влияние на ресурс направляющих по точности, янлястся ymi наклона

станины.Положение шпинделя относительно направляющих при его

. варьировании в пределах конструкционных ограничений оказывает несущественное влияние (примерно на порядок меньше). Доминирующим критерием выбора угла наклона (направляющих является минимум максимальных давлений на направляющих:

Рюах->0.

5. Значения средних давлений на направляющих незначительно изменяется при изменении угла а наклона направляющих в интервале 0°...90° (в 1,5 3,5 раза).В тоже время значения максимальных давлений Рщм меняются до 100 раз, а функция Р^ = f(a) имеет несхольхо минимумов и максимумов (см. рис. 4 « 5), что подтверждает необходимость аыОора параметра а уже на стадам концептуального Проектирования. Рекомендуемые углы наклона верхнего суппорта при проектировании наклонных компоновок 25°..35° , нижнего суппорта - 25°..35°, 60°...70° и 90°. Для станка модели 17А20ПФ30 предпочтительный угол а- 30° , а недопустимые значения а-40°...50° .

6. Прогнозирование характера и концентрации распределения максимальных давлений Рщи , по длине направляющих дает

. возможность уже на стадии концептуального проектирования варьировать положением направляющих относительно точки приложения сил резания, минимизируя давления на рабочих гранях.

7. При прогнозе ресурса направляющих и формы их изношенной поверхности необходимо учитывать реальные условия эксплуатации, а именно фактическое время работы станка.Расчет направляющих станка модели 17А20ПФ30 показал, что значения ресурса, полученные при моделировании только рабочих нагрузок (с учетом только Т^), примерно на порядок занижены относительно реальных, полученных с учетом цикловых и внецикловыл ¿iOTcpi. ( Т„ ЛГ- и до.), и с учетом коэффициента технического использования Кта . Для установленной вероятности безотказной работы P(t) - 0,95 ресурс для нижнего суппорта оказался заниженным в 11,3 раза, для верхнего суппорта - в 18,2 раза. Для нижнего суппорта станка модели 17А20ПФ30 самые низкие значения ресурса приходятся на 3 и 5 грани направляющих (рис. б ), для верхнего суппорта -лимитирующей гранью по ресурсу является верхняя левая грань.

8. Результаты моделирования параметрической надежности суппортной группы показали, что необходимо учитывать положение направляющих в пространстве относительно режущего инструмента и ■агоговки. Интенсивный износ одних граней несущественно снижает точность обработки, в то время как незначительный износ других граней сильно влияет на точность. Например, для нижнего суппорта станка модели 17А20ПФ30 интенсивный износ 3 грани (см.рис. 7) повлечет за собой смещение резца только в вертикальной плоскости, что несущественно снижает точность обработки.С другой стороны, незначительный износ 1 , 2 или 4 грани (см.рис. 7 ), которые в основном работают при чистовой обработке вызывет достаточно

сильное влияние но форму и размер обрабатываемой заготовки, так как а данном случае наблюдается помимо горизонтальных отклонений еще и поворот суппорта.

9. В результате экспериментальных исследований процесса износа направляющих станка установлено, что отклонение траектории движения опорной точки суппорта от прямолинейности при 3000 часах работы станка не превышает 0,8 мкмпо оси X я 1,5 мкм по оси У, при 4000 часах - 1,2 мкм по оси X и 2,2 мхм по V, а при 5000 часах - 1,5 мкм по X я 2,8 мкм по У.Следовательно через '5000 часов запас надежности по параметру- точности прямолинейность движения составляет 2,2 для станка • класса П и 3,8 для" стаи»- илесса Н. Проверка соответствия результатов натурных машинных экспериментов показала, что расхождение не значимо при принятом уровне доверительной вероятности а" 0,05.

Список, опубликованных работ по теме диссертотии.

1. Мусса И. Э. Программное обеспечение для прогнозирования ресурса направляющих«.станков. /Новая технология, оборудования; оснастка и инструмент! для механической обработки и сборки.- Материал семинара, Москве, МДНТП 1990. - с. 103 - 106.

2. Итин А. М.', Мусса И. Э. Компоновка направляющих' токарных станков. /Проблемы создания и эксплуатации технологического оборудования и ГПС. Тезисы докладов« РЬсскйЬсой научно-практической конференции. Хабаровск; 1992.'-с. 42 - 44.

3. Итин А. М., Мусса И.-Эл П^ш-ЕА! ВЬбор. компоновхи станин двухсуппортных токарных станков. /Дюшииха станочных систтм гибких автоматизированных производств! Тбзисы дохладо» научно-техничесхой конференции. Нижний Новгород, 1992.-с.38.

4. Пуш А. В. , Нванников С. Н. , Мусса Н. Э. и др. Имитация эксплуатационных нагрузок при автоматизированных испытаниях станхоа. /Ресурсосберегающая технология машиностроения. Тезисы докладов республиканской научно-практической конференции. Москва, МГААТМ, 1993. - с.80 - 83.

5. Пуш А. В., Мусса И. Э., Итин А. М. Выбор компонежкя двухсуппортных токарных станков. /СТИН, 1994. - N 3.- с.4 -10.