автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Обеспечение точности и параметрической надежности станков на основе раскрытия взаимосвязи процессов в шпиндельном узле и зоне резания

^ #

<3

<5> ^

«д4»- На правах рукописи

Клепиков Сергей Иванович

обеспечение точности и параметрической надежности станков на основе раскрытия взаимосвязи процессов в шпиндельном узле и зоне резания

Специальность 05.03 01 - Процессы механической

и физико-технической обработки, станки и инструмент

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Комсомольск-на-Амуре -1998

Работа выполнена в Хабаровском государственном техническом университете.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Пуш A.B. доктор технических наук, профессор Шатерин М.А. доктор технических наук, профессор Литовка Г.В.

Ведущая организация; АО "Красный пролетарий", г.Москва

Защита состоится " ^У " (Лл^Ои $_1998 г. в 10 часов на заседании

диссертационного совета Д 064.70.01 в Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете по адресу: 681013, Комсомольск-на-Амуре, пр.Ленина, д.27.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Комсомольского-на-Амуре государственного технического университета.

Автореферат разослан

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

А. А.Бурков

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Обеспечение точности и параметрической надежности

станков остается важнейшей проблемой современного высокоразвитого машиностроения. На формирование показателей точности обработки детали решающее влияние оказывает динамика процесса формообразования. Основным формообразующим узлом в станках, в частности, станках токарной группы, является шпиндельный узел (ШУ), на долю которого приходится до 80 % от общего баланса точности обработки деталей.

Шпиндельный узел, будучи сложной динамической роторной системой, является одним из главных источников возмущений, вносимых в динамику процесса резания. Колебания, термоупругодеформяционные и трибологические явления, происходящие в ШУ, до настоящего времени недостаточно рассмотрены не только во взаимосвязи друг с другом, но и по отдельности. Поэтому, совместное рассмотрение взаимосвязи разно-скоростных процессов шпиндельного узла с процессом резания является актуальной проблемой, решение которой позволяет перейти к новому уровню расчетов точности механообработки и, соответственно, к новому уровню расчетов и проектирования шпиндельных узлов.

Актуальность рассматриваемой проблемы подтверждается также присуждением фанта по машиностроению в 1995-96 гг. и участием в федеральной целевой программе "Дальний Восток России" в 1994-97 гг.

Цель работы. Обеспечение точности и параметрической надежности станков на основе раскрытия взаимосвязи процессов в шпиндельном узле и зоне резания.

Методы исследований. В теоретических исследованиях применялись основные положения технологии машиностроения, станковедения, мегоды теории надежности машин, теории механических колебаний, динамики станков, контактной гидродинамики, теории теплообмена, трибологии, теории принятия решений, теории вероятностей и математической статистики. Разработано программное обеспечение для расчета всех видов математических и диагностических моделей, которое реализовано на ПЭВМ типа IBM РС-486 и других более высоких классов. Экспериментальные и вибродиагностические исследования проводились по разработанным методикам на обкаточно-диагностических стендах с использованием современной информационно-измерительной техники.

11аучная новизна работы заключается в комплексном подходе к изучению взаимосвязей процессов различной скорости, происходящих в шпиндельном узле, с динамическими процессами в зоне резания, что позволяет повысить качественный уровень расчетов и проектирования ШУ и, в конечном итоге, обеспечить требуемую точность механообработки; при этом получены наиболее значимые научные результаты:

1. Разработана методология обеспечения точности станков на основе взаимосвязанного моделирования процессов в зоне резания и шпиндельном узле, которая является основой для проектирования ШУ заданной точности и выбора конкретных ре-

жимов обработки в зависимости от параметров динамического состояния системы шпиндельный узел-зажимное приспособление-заготовка-инструмент.

2. Выработана концепция комплексного взаимосвязанного вибротермотриболо-гического моделирования состояния ШУ для оценки его выходных параметров точности и параметрической надежности.

3. Получена математическая модель для расчета динамической системы шпиндельный узел-зажимное приспособление-заготовка-инструмент и определения параметров точности обработки деталей.

4. В результате разработки экспертной системы обеспечения параметрической надежности сформулированы принципы обеспечения качества ШУ, включающие в себя контроль предэксплуатационного состояния с помощью вибродиагностики, нормирование предельных значений технологических дефектов сборки и изготовления ШУ, нормирование режима эксплуатации, проектный расчет геометрических размеров ШУ, конструктивных и эксплуатационных параметров системы управления тепловым состоянием ШУ.

5. Разработан метод оценки параметрической надежности ШУ и станка в целом с учетом взаимодействия разноскоростных процессов.

Практическая ценность работы заключается в существенном повышении качества расчетов точности механообработки, точности и параметрической надежности шпиндельных узлов с помощью разработанного методического и программного обеспечения. Практическая полезность вибродиагностических методов определения состояния динамической системы шпиндельный узел-зажимное приспособление-заготовка-инструмент для станков, находящихся длительное время в эксплуатации, заключается в определении рациональных режимов резания, позволяющих достичь требуемую точность обработки.

Реализация результатов работы представлена в виде методического, программно-математического обеспечения и практических рекомендаций по внедрению экспертной системы "ЭСКОРТ", которая прошла практическую апробацию и внедрена в АО "Хабаровский станкостроительный завод", АО "Читинский станкостроительный завод" и АО "МСЗ", г.Москва. Выводы и рекомендации по обеспечению точности механообработки выбором рациональных режимов резания нашли практическое применение в АО "Дальдизель" (г.Хабаровск), в Комсомольском-на-Амуре авиационном производственном объединении, в АО "Дальсельмаш" (г.Биробиджан) и на других предприятиях Дальневосточного региона Российской Федерации. Учебно-научное обеспечение и лабораторные испытательно-диагностические стенды используются в учебном процессе Хабаровского государственного технического университета.

Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертационной работы докладывались в 1982-97 гг. на Международных, Всесоюзных, Российских и республиканских съездах, научно-технических конференциях, симпозиумах, совещаниях и семинарах: Минск (1982), Одесса (1982), Ташкент (1982), Хабаровск (1982,

1986, 1988, 1991, 1992), Комсомольск-на-Амуре (1985, 1989, 1994. 1997), Харбин, КНР (1992, 1995), Пенза (1995, 1996, 1997), Тула (1995), Москва (1996), Ростов-на-Дону (1997). •

Публикации. По теме диссертации опубликовано 65 работ, в том числе одно учебное пособие.

Структура ч объем диссертации. Работа состоит из введения, пяти глав, заключения и основных выводов, списка литературы из 2.49 наименований и 3 приложений, содержит 290 страниц машинописного текста, 116 рисунков и 33 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Но введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, ее цель и научная новизна, представлены основные положения, выносимые на защиту.

Первая глава посвящена анализу проблем, связанных с точностью обработки деталей и параметрической надежностью станков. Точность механообработки связана с динамическими процессами резания. Параметрическая надежность станка определяется параметрической надежностью и динамическим состоянием основных его формообразующих узлов, в первую очередь шпиндельного.

Изучением проблем резания металлов традиционно плодотворно занимаются ученые отечественной школы. Значительный вклад в рассмотрение вопросов повышения и обеспечения точности станков, выбора режимов обработки, влияния силовых воздействий на точность обрабатываемых деталей внесли А.П.Соколовский,

A.И.Каширин, В.С.Корсаков, Б.С.Балакшин, А.А.Маталин, С.П.Митрофанов, О.И.Аверьянов, В.Ф.Бобров, Б.М.Базров, Б.М.Бржозовский, В.В.Бушуев, В.Л.Вейц, Г.И.Грановский, Ю.И.Городецкий, А.М.Дальский, В.Л.Заковоротный, В.В.Каминская,

B.А.Кудинов, Ю.Г.Кабалдин, С.Н.Корчак, А.И.Левин, З.М.Левина, В.Г.Митрофанов, Л.С.Мурашкин, С.Л.Мурашкин, А.С.Проников, В.Э.Пуш, А.В.Пуш, В.Н.Подураев, Д.П.Решстов, А.М.Розенберг, Ю.М.Соломенцев, В.К.Старков, С.С.Силин, А.Г.Суслов, А.К.Тугенгольд, В.С.Хомяков, Л.В.Худобин, М.А.Шатерин, М.Е.Эльясберг и другие.

Основополагающие классификационные схемы с целью комплексного изучения динамического качества станка в зависимости от происходящих в нем процессов предложены проф.А.С.Прониковым и проф.В.А.Кудиновым.

В.А.Кудинов при оценке динамической устойчивости рассматривает станок как многоконтурную замкнутую систему, учитывающую процессы резания, трения и процессы в приводе.

А.С.Проников все процессы, происходящие в станке, классифицировал на быс-тропротекающие (колебания), средней скорости (термоупругие деформации) и медленной скорости (износ в контакте поверхностей). Динамические характеристики колебаний - жесткость и демпфирование - отражают суть взаимосвязи процессов разных скоростей и с учетом возмущающих усилий, возникающих в станке, влияют на динамику

процесса резания и, в итоге, на точность обрабатываемой детали. В приведенной последовательности до настоящего времени проблема не исследовалась. Основным формообразующим узлом при токарной обработке является шпиндельный узел, он же дает наибольший процент погрешностей деталей при обработке. Кроме того, по выходным параметрам точности ШУ в процессе эксплуатации можно судить о параметрической надежности станка в целом.

Вопросы прогнозирования качества и надежности ШУ подробно рассмотрены в работах проф.А.В.Пуша. Большой цикл работ по автоматизации расчетов и проектирования ШУ станков выполнен в ЭНИМСе З.М.Левиной, А.М.Фигатнером, И.А.Зверевым, И.Г.Гореликом, А.П.Сегидой, Е.И.Самохваловым, В.АЛизогубом и др., по исследованию динамических характеристик станков В.В.Каминской, М.Ф.Кушниром, И.А.Кочиневым, Ф.С.Сабировым, Е.И.Шибановым и др. В МГТУ "Станкин" исследования в этом направлении выполнены В.С.Хомяковым и С.И.Дасько. Вибродиагностические методы испытаний и исследований находят все более широкое распространение как в предэксплуатационный период, так и в период эксплуатации станка, что находит подтверждение в работах В.А.Авакяна, М.М.Аршанского, В.Ф.Журавлева, В.Б.Бальмонта, Е.Г.Нахапетяна, В.В.Селезневой, А.К.Явленского, К.Н.Явленского и др. Необходимо отметить, что отсутствуют работы, связанные с разработкой диагностических моделей узлов станков.

Опыт проектирования ШУ на опорах качения может быть эффективно реализован с помощью применения экспертных систем, позволяющих проектировать узел по заданным требованиям к параметрам качества и обладающих развитой системой поддержки принятия решений. Отметим работы О.Г.Гохмана, Д.Уотермана, Ф.Хейес-Рота и др. в этом направлении.

При исследованиях параметрической надежности шпиндельных узлов перспективным является индивидуальное прогнозирование, при котором наиболее приемлемым является метод моделирования с использованием уравнений изменения технического состояния в процессе эксплуатации.

Исходя из анализа рассмотренных научных работ была поставлена цель и сформулированы следующие задачи диссертации:

1. Разработать метод обеспечения точности механообработки на основе математической модели колебаний в зоне резания с учетом параметров колебаний в шпиндельном узле, который позволит определять рациональные режимы обработки.

2. Разработать метод расчета точности и параметрической надежности шпиндельного узла, основанный на математических и диагностических моделях состояний и позволяющий определять выходные параметры точности ШУ по погрешностям изготовления и сборки и нормировать допустимые пределы этих погрешностей.

3. Разработать комплексную вибротермотрибологическую модель состояния шпиндельного узла, учитывающую:

- нестационарный характер мощности тепловыделения, жесткости и демпфирования в опорах качения;

- влияние нагружения, относительной скорости скольжения на интенсивность изнашивания;

- взаимовлияние процессов разной скорости, а именно: температуры на интенсивность изнашивания и уровень вибрации, износа на изменение температуры и уровень вибрации и т.п.

4. Предложить экспертную систему обеспечения параметрической надежности шпиндельного узла с наличием базы данных конструкционных материалов и смазочно-охлаждающих жидкостей и базы знаний типовых конструкций ШУ на опорах качения, динамических, термоупругих и износных моделей на основе конечно-элементной декомпозиции ШУ.

5. Разработать методику экспериментальной вибродиагностики состояния и выходных параметров точности шпиндельного узла. Разработать и изготовить лабораторные и производственные обкаточно-диагностические стенды вибродиагностики ШУ.

Разработать методику и провести экспериментальные исследования статических и динамических характеристик системы шпиндельный узел-зажим-заготовка-инструмент.

6. Проверить работоспособность программного обеспечения экспертной системы параметрической надежности ШУ и автоматизированного расчета рациональных режимов механообработки.

Во второй главе проведено исследование динамических процессов, происходящих в системе шпиндельный узел-зажимное приспособление-заготовка-суппортная группа, с целью обеспечения точности механообработки.

Рассматриваемая динамическая система включает в себя совокупность важнейших формообразующих элементов станка, позволяет учесть взаимосвязь координат при относительных колебаниях инструмента и заготовки, а также взаимное влияние возмущающих воздействий со стороны шпиндельного узла и силы резания. Требование адекватности к математической модели в низкочастотном диапазоне колебаний допускает представление расчетной схемы рассматриваемой динамической системы в виде многомассовой системы с сосредоточенными параметрами (рис. 1) и позволяет также проводить ее декомпозицию и раздельное рассмотрение двух подсистем: а) шпиндельный узел-зажимное приспособление-заготовка; б) суппортная группа-инструмент.

Поскольку все рассматриваемые в динамической системе стержневые элементы имеют сложную переменную структуру, при использовании метода конечных элементов (МКЭ) углы поворота узлов принимаются безмассовыми, вектор узловых моментов приравнивается к нулю, что при наличии диагональной структуры матрицы масс позволяет исключить из уравнений углы поворота узлов, связать упругие силы только с линейными перемещениями по трем координатам (на рис.1 показана только одна из

них), перейти в матрице масс от размерности 5(п+1) до размерности 3(п+1), где п число конечных элементов.

Здесь: ^ и /\г - силы, действующие в опорах от погрешностей изготовления и сборки подшипников и дисбаланса шпинделя; ^ - сила, возникающая от дисбаланса зажимного приспособления; Ррез - сила резания; Ры,сб - сила дисбаланса заготовки; т, ], С, И-коэффициенты масс, жесткости и демпфирования соответственно.

Упрощение расчетных схем каждой из подсистем шпиндельный узел-зажимное приспособление-заготовка и суппортная группа-инструмент позволило записать систему уравнений колебаний применительно к обобщенной расчетной схеме динамической системы механообработки (рис.2):

станина

Рис. 1. Расчетная схема системы шпиндельный узел-зажимное приспособление-заготовка-суппортная группа

М2>д+Н2>д+^д=Ру+Ру+Р,

г'д

шу, 2

т->У + с~у = -Р

1! II О' М

2 и 2 и и ~ у

шу, 3

Рис.2. Обобщенная расчетная схема динамической системы механообработки, где индексы I, 2, 3 относятся к осям X, У, Ъ\ Рх,у,г - составляющие силы резания; Ршу с

соответствующим индексом - составляющие возмущающих усилий со стороны шпиндельного узла, включающие и на инструмент действуют только составляющие силы резания с обратным знаком; хш уи, ги - составляющие вектора виброперемещений по осям X, У, Ъ детали и инструмента. Принято, что инерционные коэффициенты одинаковы для изгибных колебаний (для детали по осям У и Т., для инструмента по осям X и 2). Для детали коэффициенты жесткости у'д /¡, коэффициенты демпфирования Н/, Н3 и инерционные коэффициенты Л// и Мг включают в себя соответствующие коэффициенты шпиндельного узла, т.е. под понятием "деталь" выступает подсистема "шпиндельный узел-зажимное приспособление-заготовка". Составляющие силы, вызванные наличием статического дисбаланса вращающейся заготовки зависят от угловой частоты вращения шпинделя, массы и удельного статического дисбаланса заготовки.

Мгновенное значение глубины резания ¡„¿ц при колебаниях механической системы зависит от номинально заданного значения (, разности между вибросмещениями по оси У заготовки и инструмента, а также колебаний припуска вызванных погрешностями формы заготовки и эксцентриситетом заготовки относительно оси вращения шпинделя.

'«г» = ¡'Уд +Уи + (2)

Аналогичные выражения записаны для режимов З^* и и^. Разложив переменные значения 1пгр, Бпер и и„ер в тригонометрические ряды, подставив их в известное вы-

ражение для "составляющих силы резания и выполнив линеаризацию этой зависимости путем разложения в кратный ряд Тейлора получим выражение

Рх,у,г = ах,у^~хд +хи +*пер) + Рх,у,2«-Уд +'«ер) + + Гх,У,Х<Р-*д+*и+ипер)'

где значение коэффициентов а, р и у (имеющих размерность жесткости процесса резания по А.П.Соколовскому) рассчитываются для соответствующих составляющих силы резания Рх,у,2 по следующим зависимостям

10-Ср-Кр-х-¡Г'-? -1?,

Рх.у.г ~ 10-Ср-Кр-у-^-Г'-ип, (4)

Г„у.г= 10-Ср-Кр-п-!? -I?-'.

С учетом выражений (4) в математической модели колебаний согласно расчетной схемы системы шпиндельный узел-зажимное приспособление-загогговка-суппортная группа (см.рис.1)

МХ +■ ИХ + СИ = F(<), (5)

матрицы масс М, демпфирования Н и жесткости С имеют следующий вид

М =

'М\ 0 0 0 0 0 ' (Ну 0 0 0 Ух \ ~Ух

0 т 1 о 0 0 0 0 Л 1 0 0 -Ух Ух

0 0 0 0 Л/2 0 0 т 0 2 0 0 0 Я = 0 0 0 0 Н2 0 0 л 2 ~ГУ ~УУ ГУ

0 0 0 0 Л/2 0 0 0 0 0 Ъ+У2 ~Уг

0 ч 0 0 0 0 т 0 V 0 0 0 ~Уг ь 3+ГГ,

{Н+Рх ~Рх ах -ах 0 0 '

~Рх С[+Рх -ах ах 0 0

Г' — Ру ~Ру 72+Оу -ау 0 0 (6)

с — ~Ру Р* { -Р. Ру ~Рг Рг ~аУ ~а2 с2+оу -а2 а2 0 ъ 0 0 0 >

X = (хц, у о, уш 2д, г») - вектор вибросмещений механической системы (Г - символ транспонирования); Р = + + ухм„ер +

а^тр + Ру'п'Р + Уу^пер + Р'у + Рщу. 2 ' " ^пер - Ру^пер " Гу*пср " ¡^у, ОУ«:р + Р^кр + ~ (Хх^пер " Рг^мр " Уг^пер

/ - вектор вибровозмущений. Вследствие неконсервативного характера силы резания матрицы демпфирования и жесткости являются несиммелричными.

Погрешность обработки детали в поперечном сечении

А~Уд~У» (7)

включает в Себя погрешность размера, волнистость и шероховатость. Поскольку для данных параметров существуют свои нормативные значения целесообразно разделение общей величины погрешности обработки на составляющие. Для этого к выражению (5) применено интегральное преобразование Фурье и получено выражение комплексного амплитудного спектра вибросмещений

X(co) = {-a2M +imH +C)~lF(w), (8)

где: со - круговая частота колебаний; i - мнимая единица; Г\ю) - комплексный амплитудный спектр вибровозмущений; выражение в скобках является матрицей динамической податливости системы и(ф) = (-а?М +i(oH + С)'1.

Аналогичное преобразование к выражению (7) дает

. Л(со) = уд(со)- уи(со),' (9)

где А (со) - комплексный амплитудный спектр величины погрешности обработки, y¿(co) чуи(со) - составляющие вектора A7<2¡).

Полученное спектральное представление величины погрешности обработки детали в поперечном сечении характеризует при а=0 погрешность размера, при оз=сошп -эксцентриситет, при ar=2(oum - овальность обработанной поверхности, а>=3саш„ - трех-грашюсть и т.п., при 15(йш„<(о<4бй)шп - волнистость, а при йл> 46а>ш„ - шероховатость обработанной поверхности в поперечном сечении.

Уравнение (9) с учетом уравнения (8) после некоторых промежуточных преобразований имеет вид в абсолютных величинах:

/А(а>) /= \Ui¡-u¡4-u4}+uu\-\Fy(a)\ + \u3ru43+u3¡-u4,\-\Fya(cü)\ +

+ \и33-и43+и3,-и4}\-\Ри1у(со)\, (10)

где ир„ - составляющие матрицы динамической податливости U(co), соответственно р -номер строки, п - номер столбца; выражения для спектрального представления вибровозмущений следующее: i

Fx.y.z(o)) = ax,yiZZs¡S(cú-ia>])(cos /p¡ + i-sincpi) +

m

+Px,y,zEtJ8(co-icom)(cosi}/j + i-siny/j) + 1 -/

n

+ Yxy,zZvk S(co-ka^n)(eos¿jj¡ + i-sinfy, ' k-I

^y(co) = (й2ш„ -M¡ -вап ■ 5(й>а>шп) • (cose + isins),

F3z(cú) = т2шп • ЬЛ2' can • 8(o>-mm) • (sins-¡ cose), (11)

где 5 - дельта-функция Дирака.

При обозначении \(изз-изг^4з+ии)\ как ¡Jp„ - передаточной функции резания, \(u3ru4}+u$s-u4s)\ как U¿, - передаточной функции дисбаланса обрабатываемой детали и возмущающих усилий со стороны шпиндельного узла итоговое выражение.

/Л(а) /= Up,, фу (t0- S(ü))+(t,+ecn) ■ 5(йУтшп) +

т

+ Ztj-Sfv-jcOun)) + Uó,-ai!ul„M2-ecm -ё(й>-сош>1) +

j-2

+ид.-(Ршу.2(со)), (12)

определяет величину по1-решности обработки детали с учетом параметров механической системы (жесткости, демпфирования, масс и, следовательно, частот собственных колебаний), режимов обработки (подачи скорости и глубины резания), а также погрешностей базирования заготовок, ее собственных погрешностей и погрешностей изготовления и сборки шпиндельного узла. При невозможности оперативного регулирования погрешностей базирования и собственных погрешностей заготовок, "ненаблюдаемости" погрешностей изготовления и сборки шпиндельного узла, возможность обеспечения заданных параметров качества определена путем выбора рациональных значений режимов обработки с помощью методики, реализованной в структуре программного комплекса (рис.3).

Исходными данными являются режимы обработки, вид материала заготовки и режущей части инструмента, значения показателей степени х, у, п, величины углов резания, необходимые для вычисления коэффициентов Ср и Кр . На основании расчета и измерения статической жесткости и параметров свободных колебаний механической системы для групп однотипного технологического оборудования (токарно-винторезных, токарно-револьверных станков и др.) вычисляются коэффициенты жесткости, демпфирования и инерционные параметры системы ПГУ-зажимное приспособление-заготовка-инструмент. Измеряются исходные погрешности заготовки (или из базы данных используются статистические данные по величинам погрешностей заготовок) или по данной методике определяется точность обработки на предыдущих операциях. Производится настройка математической модели точности обработки.

Расчетные значения точности обработки при назначенных режимах получают в виде спектра теоретического профиля обработанной поверхности, который сравнивают с нормированным спектром (полем допуска на обработку, распределенным между тремя зонами - погрешностью размера, волнистостью и шероховатостью, построенным по техзаданию). Если коэффициент запаса точности больше единицы - точность обеспечивается, в ином случае - осуществляется варьирование номинальных значений технологических режимов, которое производится до обеспечения заданных параметров точности. Ограничениями являются допустимые значения режимов резания. Очередность варьирования номинальных значений режимов обработки зависит от решаемой задачи. Например, на получистовом проходе, в случае, когда коэффициент запаса точности

Ввод

Ввод начальных значений режима обработки коэффициентов Ср, Кр, х, у, п

Ввод параметров динамической системы (инерционных, демпфирования,

жесткости)

Ввод значений погрешности заготовки н базирования, изготовления и сборки ИГУ

Ввод технических требований к точности обработки детали

Оценка точности обработки

Расчет динамической податливости механической системы

Расчет передаточных функций и,»,, ид, 1),

Расчет спектра виброзозмуще-

Оцеика величины погрешности обработки

Сравнение с заданными параметрами точности

удовл

Завершение расчетов (вывод режимов обработки)

не удовл.

Варьирование режимов обработки

Изменение режимов V, э Проверка ограничений на режимы

Рис.3. Структура программного комплекса для выбора рациональных режимов обработки

значительно' больше единицы, то в пределах допустимых ограничений увеличивают значения подачи и глубины резания для повышения производительности обработки. Если решается задача обеспечения качества обработки на чистовом проходе, то изменение величины глубины резания t невозможно, поэтому изменяется значение величины подачи, а затем, скорости резания.

Разработанный программный комплекс интегрируется в состав САПР технологических процессов и взаимодействует с подсистемой выбора режимов резания.

Моделирование динамических характеристик механической системы и параметров точности механообработки с помощью передаточных функций резания Upa и возмущающих усилий со стороны ШУ и дисбаланса заготовки Ud, дает возможность обнаружения отрицательных значений передаточных функций для черновых проходов в достаточно узком диапазоне частот вращения шпинделя для конкретных условий обработки. Это согласуется с данными В.А.Кудинова об увеличенных значениях предельной глубины резания в этом диапазоне, поскольку при отрицательных значениях Upa происходит взаимная компенсация некоторых гармоник силы резания и мгновенное значение силы резания при этом уменьшается. На рис.4 приведен пример подобного состояния динамической системы при обработке на станке мод.16К20 инструментом с твердым сплавом Т15К6 вала из стали 40Х со следующими значениями параметров динамической системы: M¡ -- 8,6 кГ; M¡ - 4,3 кГ; m¡ = 1 кГ; т2 - 1 кГ; ji = 28,4 н/мкм; j} = j¡ = 17,7 н/мкм; Я/= 2100 кГ/с; Н2 = Н3 = 1050 кГ/с; C, ==C¡ = 39,2 н/мкм; С2 = 44,9 н/мкм; ht = 450 кГ/с; h2 = 900 кГ/с. Принятые значения коэффициентов демпфирования соответствуют величине логарифмического декремента затухания -0,6. Подача s = 2 мм/об; глубина резания / = 4 мм, и = 25 м/мин.

ХГрез, мкм/кН

0.8-

0.6

0.4

4000

w

Рис,4. Зависимость Up„ от а> при и = 25 м/мин

Для экспериментального подтверждения теоретических положений настоящей главы проведен комплекс работ в производственных условиях машиностроительных предприятий по определению статических и динамических характеристик станков и автоматизированному расчету точности механообработки применительно к токарным станкам Коэффициенты жесткости и демпфирования измерялись по стандартным методикам с применением одногомпонентного механического динамометра и на основе определения величины логарифмического декремента колебаний при импульсном возбуждении колебатй. В последнем случае использовалась отечественная виброиэмери-тельная аппаратура с применением аналогово-цифрового преобразователя L-1230 и персонального компьютера. Для достоверной оценки величины декремента выполнялась операция низкочастотной фильтрации вибросигнала с помощью фильтра нижних частот Баттерворта третьего порядка. Прикладное программное обеспечение написано на языках FORTRAN 5.1, С++. Оно включает в себя подпрограммы фильтрации, определения амплитуд колебаний и логарифмического декремента, расчета коэффициента демпфирования, а также стандартные подпрограммы для работы с платой L-1230.

На АО "Хабаровский станкостроительный завод" и АО "Дальдизель" обследовалось 34 станка с общим количеством деталей в базе данных - 194. На первом этапе проводились обследования жесткости группы из 30 деталей, устанавливаемых поочередно на всем токарном оборудовании участка механообработки. На втором этапе определение параметров осуществлялось для каждой детали на закрепленном по технологическому процессу оборудовании. Анализ результатов обследования показал, что разброс значений жесткости, оцениваемый с помощью отношения размаха к среднему значению жесткости, является достаточно высоким: для детали - до 135 %, для инструмента - до 36 %. Поэтому, даже для детали одного наименования, обрабатываемой на однотипном оборудований участка, использование одинаковых режимов резания не может быть оправданным. В то лее время при использовании оборудования с высокими жесткостными характеристиками будет оставаться неиспользованным резерв повышения производительности обработки. Величины логарифмического декремента колебаний по осям X, Y, Z, полученные на первом этапе, составили: для инструмента 8» 5у — 0,63±0,05; Sz = 0,66±0,3; для деталей, закрепленных в патроне, <5^ 5Z= 0,61±0,07; 8Х = 0,64±0,04; для деталей, закрепленных в центрах Sy, 5г = 0,58+0,08; 5Х = 0,62±0,04. Разброс величин логарифмического декремента колебаний на втором этапе составлял 4-6 %, Таким образом, парк технологического оборудования имеет достаточно большой диапазон жесткости и демпфирования, что обуславливается различным техническим состоянием станков и это характерно для большинства машиностроительных производств. Для принятия решения о целесообразности дальнейшей эксплуатации такого оборудования необходимо определение возможности обеспечения на нем заданных параметров точности и достигаемой при этом производительности.

Экспериментальные исследования точности обработки при режимах резания, назначенных в технологических процессах на изготовление деталей показали, что использование усредненных значений режимов обработки на оборудовании с пониженными значениями жесткости приводит к появлению погрешности размера, формы, огранки и волнистости, которые превышают нормативные значения.

Разработаны рекомендации по обеспечению точности механообработки на токарных станках и изменению динамических характеристик и режимов эксплуатации оборудования.

Третья глава посвящена концептуальному вибротермотрибологическому моделированию состояния шпиндельных узлов станков.

Точность механообработки деталей зависит от состояния основного формообразующего узла станка - шпиндельного и его динамических характеристик - возмущающих воздействий, жесткости и демпфирования, которые, в основном, формируются под влиянием трения, имеющего двоякую физическую сущность своего проявления: в тепловых деформациях (процессах средней скорости) и изнашивании контактируемых поверхностей (процессах медленной скорости). Концепция моделирования заключается в совместном рассмотрении процессов разных скоростей в ШУ, учет которых позволяет выйти на новый уровень расчетов точности механообработки и параметрической надежности станка. Схема взаимовлияния процессов, происходящих в шпиндельном узле, и процесса резания на точность механообработки, показанная на рис.5, логически согласуется с фундаментальными схемами замкнутой динамической системы станка проф. В.А.Кудинова и влияния различных процессов на начальные параметры станка проф. А.С.Проникова.

С целью системного подбора моделей процессов разных скоростей в ШУ произведена функциональная факторизация параметров этих процессов и их взаимовлияние.

При разработке модели колебаний шпинделя приняты следующие допущения:

- рассматриваются изгибные и продольные колебания шпинделя, при дискретизации каждой узловой точке соответствуют пять обобщенных перемещений, матрица масс ШУ принимается диагональной;

- шпиндель представляется в виде балки переменного сечения, материал которой подчиняется закону Гука на упруго-демпфирующих опорах с вязким трением; величина, силы демпфирования пропорциональны относительной скорости вибрации колец подшипников;

- корпус ШУ представлен в виде эквивалентного стержневого конечного элемента;

- обрабатываемая деталь представлена в виде конечного элемента - стержня;

- устройство зажима заготовки моделируется посредством добавления жесткости и демпфирования устройства в узле стыковки обрабатываемой детали и шпинделя;

ПРОЦЕСС РЕЗАНИЯ

РАСЧЕТ ТОЧНОСТИ ОБРАБОТКИ

=1

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРОВ ПРОЦЕССА РЕЗАНИЯ (РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ)

12

ДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ИГУ (быстропротекающие процессы в упругой системе)

ПРОЦЕССЫ ТРЕНИЯ

ТЕПЛОВЫЕ ИЗНАШИ-

ДЕФОРМА- ВАНИЕ

ЦИИ (процес-

(процессы сы мед-

средней ленной

скорости) скорости)

ЭКВИВАЛЕНТНАЯ ДИНАМИЧЕСКАЯ СИСТЕМА ШУ

РАСЧЕТ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ ШУ

Рис.5. Схема взаимовлияния процессов, происходящих в шпиндельном узле, и процесса резания на точность механообработки

- источниками вибровозмущений являются дефекты изготовления и сборки подшипников, центробежные силы в подшипниках, а также дисбалансы шпинделя и смонтированных на них деталей;

- ременная передача, передающая вращение шпинделю, рассматривается как упругая связь;

- учитывается наличие различного рода отверстий, шпоночных пазов и т.п. в теле шпинделя посредством неодинаковых осевых моментов инерции;

- вибровозмущенля, генерируемые приводом шпиндельного узла, учитываются посредством задания возмущения от привода в узле, расположенном в месте крепления приводной передачи;

- сила резания задается в координатах относительно базовой поверхности шпинделя.

Нестационарный характер динамических характеристик подшипниковых систем объясняется не только следствием термоупругих процессов, но и результатом влияния режима трения, который напрямую зависит от реологического состояния смазочного слоя в контакте. Поэтому жесткость подшипников рассчитывается с учетом слоя смазки по выражению, предложенному А.КЯвленским и К.Н.Явленским:

а , /¡Г7-Я?й2

С „ 82 \ , (,3)

см г —N

кд

где агj - приведенная кривизна контактирующих поверхностей в направлении качения (s=l) и в перпендикулярном направлении (s=2); В/ - коэффициент, характеризующий упругие свойства контакта; h - толщина слоя смазки в свободной зоне; ho - толщина слоя смазки в минимальном сечении; щ - динамическая вязкость смазки.

Формула для расчета коэффициентов демпфирования подшипника качения по соответствующим осям координат следующая

Рхх-Ы-Р^+О-АУР^, (14)

где Pw - полная сила демпфирования в упругогидродинамическом контакте шарик-кольцо; А -коэффициент, характеризующий относительную долю времени отсутствия контакта микронеровностей, при полностью жидкостном трении А=1, при смешанном трении 0<А<1; Рст - демпфирование при контакте микронеровностей.

Таким образом, уравнение колебаний шпинделя сформировано в матричной форме в следующем виде: • • «

МХ + РХ + (R + C + К)Х = FH + Fm + Fd + F„+ Fp, (15)

где R,C,K - глобальные матрицы жесткости шпинделя, опор качения и приводной передачи соответственно; М - глобальная матрица масс шпинделя и смонтированных на нем деталей; Р - глобальная матрица демпфирования колебаний; Fv Fm F& Fn Fp -

векторы возмущений от центробежных сил, действующих на тела качения; от технологических дефектов сборки и изготовления подшипников; от дисбаланса шпинделя; от привода; от процесса резания соответственно; X - вехтор виброперемещений шпинделя.

Для получения решения уравнения (15) в виде амплитудно-частотного спектра колебаний к нему было применено интегральное преобразование Фурье. Кроме того, полученное таким образом уравнение становится диагностической моделью ШУ.

Измерение полного вектора вибрации шпинделя представляет собой довольно трудную задачу. Поэтому в данной работе решается задача вибродиагностики в условиях измерения вибрации на корпусе шпиндельного узла. Для определения связи между параметрами колебаний шпинделя и корпуса целесообразно использовать частотные методы идентификации с применением вибродиагностических, данных. Эти методы основаны на получении передаточной функции, после чего находятся те области в частотном спектре, где корреляция между колебаниями корпуса и конца шпинделя имеет наибольшее значение, для чего используется функция когерентности у2**, которая в спектральном анализе представляет собой аналог коэффициентов корреляции, зависящих от частоты.

При разработке тепловой модели приняты следующие допущения:

-основным источником тепла являлись подшипники К1чения, элементы привода, процесс резания;

- ШУ рассматривался в условиях действия сложного теплообмена - одновременного действия теплопроводности, конвекции и теплового излучения;

- коэффициенты теплоотдачи рассматривались как функции температуры, режимов работы ШУ и вида системы охлаждения;

- контакт двух поверхностей принимался неидеальным и моделировался посредством введения матриц теплопроводности стыка;

- общее время моделирования работы ШУ разбивалось на отдельные интервалы времени, в пределах которых все зависящие от температуры величины считались постоянными.

Задача построения температурного поля ШУ принадлежит к классу прямых задач теплообмена (ПЗТО).

При конечно-элементной дискретизации ШУ разбивается на конечное число п подобластей - конечных элементов, которые в совокупности аппроксимируют его форму. Температура аппроксимируется на каждом элементе полиномом, который определяется с помощью узловых значений

п

Т(г,2,0= £И,Т^{Ы}т{Т}, (16)

1-1

где г - вектор теплового потока по радиальной оси стержня; z - вектор теплового потока по продольной оси; t - время; N, Т, - вектор - строка функций формы и вектор узловых температур, соответственно.

Для решения ПЗТО применен МКЭ, с помощью которого получено матрично-векторное дифференциальное уравнение теплового состояния ШУ вида:

B-T+D-T=Fm№ (17)

где В, D- матрицы теплоемкости, теплопроводности, FnlH - вектор тепловой нагрузхи.

Это уравнение нестационарного теплового поля, поэтому для его решения была использована схема Кренка-Никольсона, которая позволяет использовать большие шаги по времени, что важно для определения тепловых полей в ШУ, для которых процессы разогрева измеряются часами.

Мощность трения определялась путем интегрирования касательных напряжений в зоне контакта. При этом решалась совместно гидродинамическая и контактные задачи с использованием зависимости вязкости от давления и температуры по формуле Ба-руса с использованием неньютоновских свойств жидкости:

^fio-exp(a-p)', (18)

где: ро - коэффициент динамической вязкости смазочного материала при давлении окружающей среды; а - пьезокоэффициент смазки при соответствующей температуре; 05 в SI.

При идентификации температурного поля по модели, учитывающей теплопроводность стыков с помощью разработанного программно-математического обеспечения (на языке программирования FORTRAN 5.1), установлено, что на долю каждого стыка в системе шпиндель-подшипники-конструктивные детали-корпус ШУ (для станка мод.1И140) приходится градиент от 0,5 °С до 1,5 °С в расчетном температурном поле в зависимости от площади стыка и условий контактирования стыкующихся поверхностей: величины шероховатости, контактного давления, теплопроводности межконтактной среды, поэтому неучег стыков может привести к недостоверной идентификации температурного поля конструкции, а вследствие этого к значительной погрешности при определении области состояния выходных параметров точности ШУ.

На теплообмен в определенных диапазонах скоростей течения среды значительно влияют акустические колебания среды, которые изменяют режим обтекания тела при естественной конвекции и приводят к значительной турбулизации потока. Так как работа шпиндельного узла сопровождается виброакустическими колебаниями, генерируемыми опорами качения и, кроме того, в реальных производственных условиях станок подвержен акустическому воздействию со стороны другого технологического оборудования, то необходимо учитывать влияние колебаний среды или самой конструкции посредством введения поправки при расчете собственных значений коэффициентов теплообмена шпинделя:

где X - среднеквадратичная амплитуда колебаний; /-анализируемый частотный диапазон; а - коэффициент температуропроводности; !;- коэффициент теплопроводности; R - характерный размер или радиус шпинделя.

Формула (19) определяет связь между вибрацией и теплообменом. Аналогичное выражение принято для стенки корпуса ШУ. Разработанное программно-математическое обеспечение, реализованное в системе "ЭКСПЕРТ-ПРИЗ" (см.главу 4), позволяет в диалоговом режиме идентифицировать условия теплообмена для элементов ИГУ и осуществлять управление процессом теплообмена.

Упругодеформационная часть модели основана на решении прямой упругоде-формационной задачи ЩУ с определением узловых перемещений системы по заданным узловым нагрузкам нелинейной упругой стержневой системы. Для этого решается система нелинейных уравнений

где: {()} - вектор внешних узловых нагрузок, в который кроме сил входит и тепловая нагрузка; {А} - вектор узловых перемещений; / - функция задающая связь между векторами {А} и /77.

Уравнение решается численно методом Ньютона-Рафсона с использованием метода невязок. В результате решения определяются термоупругке деформации узла, затем рассчитывается изменение осевого натяга, после чего пересчнтываются радиальная, угловая и перекрестные жесткости подшипника.

Изменение технического состояния 11ГУ в течение времени связано с изменением технического состояния опор качения, которое, в свою очередь, происходит в результате изнашивания его рабочих элементов - дорожек и тел качения.

Дифференциальное уравнение, определяющее изнашивание подшипников качения шпиндельного узла, имеет вид:

где г - вектор, характеризующий изменение размеров трущихся элементов; О - матрица, учитывающая характер контактирования колец и шариков подшипников; Ь - вектор виброамплитуд колец подшипников.

Вектор г определяется спектральным представлением геометрии поверхностей трения ¡-го подшипника, включающим в себя параметры, характеризующие деформацию тел качения, начальные углы контакта, функции контактирования, гармонические составляющие при разложении в ряды Фурье радиусов кривизны дорожек качения и диаметров шариков.

Уравнения (15), (17), (20) и (21) являются составляющими концептуальной виб-ротермотрибологической модели состояния ИГУ, учитывающей взаимовлияние разно-скоростных процессов:

{QJ +№=<>.

(20)

r = G-r + L,

(21)

B-f + D-T = Fr

r = G-r + L 5 + /(A)=0

Для численно-ашшитического решения системы (22) разработан пакет прикладных программ на языке программирования FORTRAN 5.1.

Решение системы уравнений (22) позволяет определять параметры точности шпиндельного узла, его влияние через возмущающие усилия, характеристики жесткости и демпфирования на точность механообработки и индивидуально прогнозировать параметрическую надежность ИГУ на основе ансамбля выходных параметров точности. Критерием параметрического отказа является выход параметров траектории опорных точек шпинделя за пределы нормированной области работоспособности, рассчитываемой на основе требований к точности обрабатываемых деталей.

Четвертая глава посвящена разработке экспертной системы обеспечения параметрической надежности ШУ.

Структурная схема экспертной системы "ЭСКОРТ" базируется на вибротермо-трибологической модели ПГУ. На первом этапе происходит выбор типовой компоновочной схемы, выбор типовой конструкции корпуса и марки конструкционных материалов. При проектировании используются девять типовых конструктивных вариантов ШУ и три варианта конструкции корпуса шпиндельных бабок, отличающихся способами базирования и получивших в настоящее время наиболее широкое распространение в металлорежущих станках. Ввод результатов расчетов конструктивных и эксплуатационных параметров осуществляется на эскизный чертеж проектируемого ШУ на предварительно назначенные поля ввода-вывода (рис.6).

L

L1

LZ

L3

D3

D1 D2

По/уиипники: Но ЗбОВОКу

No -»бвООКу

р1=шгс1 ии l =|щ2>«м

D2 ми Ы=ЩЕЗми

ЬЗ=?Щ мм L2=HBS)hn

Сипл резания (ЭХВНМЛ.) Е22 Н Нагруэка в приводила передано ffa'\'a II

Температура акрцхаюафзй с роды ИЁШ С*

Эксплуатационные параметры

L3=BEEw

Рис.6. Пример эскизного проекта ШУ

Для оперативного выполнения поиска наиболее эффективного конструкторско-техиологического решения в системе "ЭСКОРТ" разработана система поддержки принятая решений, включающая в себя:

- экспертную оценку качества альтернатив в случаях трудно или неэффективно математически описываемых, например, при сравнении обрабатываемости материалов, трудоемкости изготовления комплектующих того или иного варианта технического решения и т.п.;

- оценку качества альтернатив, представляющую собой матрицу чувствительности частных параметров качества ИГУ к геометрическим параметрам конструкции ШУ н характеристикам системы обеспечения качества, например, к межопорному расстоянию, габаритам корпуса, к условиям теплообмена;

- расчет геометрических параметров ШУ с условием гарантированного обеспечения заданных параметров выходной точности ШУ;

- модуль альтернативного проектирования систем обеспечения качества на основе гидрорубашек и тепловых труб, встроенных в ШУ.

На следующем этапе при моделировании процессов, происходящих в ШУ, для определения его точности в пределах конкретного последующего подынтервала времени эксплуатации строятся:

- графики областей состояния параметров точности при выходе ШУ в режим термостабилизации;

- графики динамических (жесткость и демпфирование в опорах) и реологических (мощность тепловыделения в опорах) параметров ШУ (рис.7), что наглядно отражает причинно-следственную связь между выходной точностью ШУ и его динамическими и реологическими характеристиками.

На последнем этапе происходит расчет показателей параметрической надежности ШУ и сравнение их с заданными. В случае неудовлетворительного сравнения путем модификации конструкции шпиндельного узла происходит возврат к первому этапу.

Анализ чувствительности заключается в определении матрицы чувствительности 1?, элементами которой являются абсолютные коэффициенты влияния (коэффициенты чувствительности). В данном случае рассматривался анализ чувствительности выходных параметров точности ШУ - Ук к изменению внутренних параметров Каждая строка матрицы является вектором-градиентом одного из выходных параметров в пространстве внутренних параметров. Каждый столбец матрицы 5 характеризует влияние одного из внутренних параметров на все выходные параметры. В частных случаях может потребоваться вычисление только части матрицы чувствительности, например, градиента одного из выходных параметров. Столбцы матрицы - выходные параметры точности У^. У/ - погрешность радиального размера; У2 - погрешность взаимного расположения поверхностей; У} - погрешность формы в продольном сечении;

- погрешность формы в поперечном сечении; У$ - волнистость поверхности; Кг -шероховатость поверхности. Строки матрицы - конструктивные и эксплуатационные параметры ШУ А¡: А/ - межопорное расстояние; Аз - длина передней консоли шпинделя; Аз - габариты корпуса; А4 - площадь сечения шпинделя; А] - коэффициент теплообмена с поверхности корпуса шпиндельной бабки; - коэффициент теплообмена с поверхности шпинделя; Ат - теплофизические характеристики материала шпинделя и корпуса; А) - частота вращения; Ар - сила резания; А/о - масса ШУ; А ц - жесткость передней опоры; А ¡¡- демпфирование в передней опоре; Ац - дефекты сборки и изготовления ШУ.

Поделирошиме области состоя»« параметре» качества Ш.

Теп (ивой тренд характер-го вектора.

характер-ка I

1» 120 106 90 те во 4« ЭО жоооо а.н/тт С1 вг 320000 290000 коооо этим 1П0Ш 120000 МДО 40000 10 РуР2 30

р

Т.т1п Т.т1п 18 « -ЯГ 100 )»"Нв 1» Т.гпШ

Рис.7. Графическое моделирование точности ШУ

Анализ чувствительности проводится по разработанной комплексной математической модели (22) применительно к ШУ конкретно рассматриваемого станка. Принимаются условия теплообмена, задается плотность теплового потока при соответствующей частоте вращения шпинделя и усилии преднатяга в подшипниках. Результаты анализа чувствительности позволяют ранжировать выходные параметры состояния ШУ в зависимости от геометрических, эксплуатационных параметров и динамических характеристик ШУ. Характерным фактом является наибольшая чувствительность амплитуд спектра колебаний опорных точек ШУ последовательно от: размера межопорного расстояния; жесткости передней опоры; размера передней консоли шпинделя; величины коэффициента демпфирования в передней опоре.

Для решения обратной задачи проектирования, когда задается погрешность круговой траектории шпинделя и частота, на которой она проявляется, наиболее эффективно применение процедуры нормирования предельных значений дефектов изготовления и сборки ИГУ. Нормирование осуществляется на основе определения областей состояния виброперемещений переднего конца шпинделя по нормальной оси и сравнения их с нормированным спектром по следующему алгоритму:

1. Задаются возможные виды дефектов ю встречающихся наиболее часто: дисбалансы, перекосы колец, овальность, трехгранность и эксцентриситеты беговых дорожек колец, разноразмерность шариков.

2. Рассчитываются информационные частоты для каждого дефекта в безразмерной форме, представляющей отношение этих частот к частоте вращения шпинделя.

3. Происходит генерация всех возможных сочетаний дефектов. При этом из анализа конструкции выбирается наибольшее число дефектов, которые могут встретиться одновременно со значимой вероятностью.

4. Информационные частоты для каждого сочетания дефектов сортируются по трем зонам опорного спектра, из которых происходит перенос погрешности вращения шпинделя на обрабатываемую деталь по точности радиального размера, по волнистости и шероховатости обработанной поверхности.

5. С использованием комплексной модели (22) рассчитываются предельные величины для каждого сочетания дефектов, при которых выходные параметры точности ШУ не превосходят допустимых значений.

6. Из всего множества предельных величин дефектов выбираются минимальные.

7. Формируется массив предельных дефектов, который является матрицей баланса точности конструкции ШУ, по виду аналогичной матрице чувствительности, только вместо коэффициентов чувствительности она заполнена значениями параметров А„ при которых обеспечиваются заданные параметры точности Таким образом, проектировщик получает широкие возможности для обеспечения точности путем вариации конструктивных и эксплуатационных параметров ШУ.

На основе анализа вибротермотрибологической модели (22) установлена, что для обеспечения точности вращения шпинделя целесообразно применять не системы компенсации тепловых деформаций, которые дают возможность обеспечить, как правило, один из выходных параметров точности, например, величину теплового тренда характеристического вектора, а системы термостабилизации, которые обеспечивают устойчивое динамическое состояние ШУ. Экспертная система "ЭСКОРТ" обладает набором следующих конструктивных вариантов термостабилизации:

- система охлаждения опор ШУ типа "гидрорубашка";

- автономная система охлаждения типа шпиндель-тепловая труба;

- автономная система охлаждения типа корпус-тепловая труба.

Для анализа чувствительности, расчета размеров элементов ШУ по заданным параметрам точности, расчета эксплуатационных характеристик систем термостабилизации разработан пакет программного обеспечения на языке программирования FORTRAN 5.1, интегрированный в систему "ЭСКОРТ" в блок решателя задач. Реализация сервисных модулей самой системы осуществлена в инструментальной оболочке "ЭКСПЕРТ-ПРИЗ". Организация передачи данных производится через файлы последовательного доступа. Экспертная система "ЭСКОРТ" совместно с интерактивной графической системой "КОМПАС-ГРАФИК" являются составными частями САПР шпиндельных узлов. Стыковка "ЭСКОРТ" с "КОМПАС-ГРАФИК" объясняется тем, что "ЭСКОРТ" не содержит стандартных конструктивных элементов (подшипников, крышек и пр.), т.е. обладает ограниченным набором графических примитивов. Поэтому разработанный в экспертной системе эскизный проект импортируется для дальнейшей разработки в "КОМПАС-ГРАФИК", имеющий конструкторские библиотеки с набором графических и конструктивных примитивов, интерфейс связи с устройствами ввода-вывода графической и текстовой информации и позволяющий полностью разработать пакет проектно-конструкторской документации для запуска изделия в производство.

По заказу АО "Хабаровский станкостроительный завод" разработан проект ШУ для одношпиндельного токарно-револьверного автомата мод.ШНОВ - станка высокого класса точности. Проектирование осуществлялось по вышеприведенным методикам и алгоритмам и содержало следующие этапы:

1. Определялись требования к параметрам качества проектируемого ШУ, назначенные на основе баланса точности станков аналогичного класса.

2. Строился опорный амплитудный спектр колебаний переднего конца шпинделя.

3. Проводилось комплексное статистическое моделирование точности ШУ станка-прототипа, которое представлялось в виде протокола моделирования параметрической надежности.

4. Осуществлялся анализ конструктивно-технологических мероприятий в системе "ЭСКОРТ", которая предложила матрицу альтернативных конструкторско-технологических вариантов обеспечения заданной точности, среди которых увеличение межопорного расстояния шпинделя и габаритов корпуса до конкретных размеров; интенсификация теплообмена с поверхностей шпинделя и корпуса до определенных величин.

5. Осуществлялась комплексная оценка точности при моделировании выхода в термостабильный режим и была предложена система охлаждения опор ШУ типа "гидрорубашка" с вариантами рабочих характеристик и параметров системы термостабилизации.

6. Проводилась операция нормирования дефектов изготовления и сборки элементов ШУ, в результате которой получена таблица предельных значений дефектов из-

готовления й сборки элементов ИГУ, по которым были рассчитаны предельные погрешности посадочных мест под подшипники шпинделя и отверстия корпуса.

7. Получен итоговый протокол прогнозирования параметрической надежности, полностью удовлетворяющий заданным требованиям точности.

Пятая глава посвящена экспериментальным исследованиям разноскоростных процессов и вибродиагностике шпиндельных узлов.

Производственные и лабораторные испытания и эксперименты над шпиндельными узлами токарно-револьверных автоматов производились с помощью автоматизированных вибродиагностических стендов, оснащенных современной информационно-измерительной техникой на базе аналого-цифрового преобразователя Ь-1230, устройства управления электродвигателем КЕМПТОР, нагружающих и виброимпульсных устройств. Производственный стенд, ' наделенный функциями обкаточно-диагностического, ввиду частой сменяемости объекта исследований имеет устройства быстрого базирования и зажима шпиндельных бабок и натяжения ремней. Па стендах имитируется усилие резания и измеряются параметры вибрации, температурные и три-бологические характеристики с выдачей твердых копий результатов проводимых исследований.

Для экспериментальной проверки основных теоретических положений главы 3 решались следующие основные задачи:

1) разработка методики определения и проведения экспериментальных исследований параметров состояния ШУ на основе взаимосвязи между колебаниями корпуса и переднего конца шпинделя по предложенной диагностической модели;

2) разработка методики определения предельных значений дефектов ШУ по выходным параметрам точности и предельных погрешностей обработки деталей;

3) проведение экспериментальных исследований температурных полей и тепловых деформаций во взаимосвязи с характеристиками вибрации шпиндельных узлов;

4) проведение экспериментальных исследований трибологических процессов и их влияние на выходные параметры точности и параметрической надежности ШУ.

Кроме основных решались следующие конкретные задачи:

- определение значений исходных данных для математического моделирования трибологических процессов;

- определение изменения контролируемых параметров в процессе эксперимента (величины усилия натяга, значения погрешностей дорожек качения, вектор вибросмещения переднего конца ШУ);

- сравнение результатов эксперимента и математического моделирования (сравнение амплитудно-частотных характеристик для переднего конца ШУ, температур характерных точек ШУ, теплового тренда характеристического вектора).

Объектом экспериментального исследования являлся шпиндельный узел одно-шпиндельного токарно-револьверного автомата мод.1И140П, показанный вместе со схемой разбиения на конечные элементы на рис.8.

Исследование статистических характеристик общего уровня вибрации (ОУВ) 96 ШУ показало, что в данной выборке не имеется ярко выраженных доминирующих погрешностей, вызывающих вибрацию, т.е. на характеристики колебаний ШУ оказывает влияние большое количество источников. Исходя из этого, можно считать ОУВ интегральным показателем качества сборки ШУ. Поэтому в дальнейших исследованиях применялись спектральные параметры вибрации, которые являются более чувствительными к погрешностям ШУ и по существу представляют собой дифференциальные показатели качества сборки.

Анализ амплитудных спектров виброперемещений переднего конца шпинделя на различных частотах вращения показал, что 90 % всей энергии колебаний находится в пределах от О до (2-4) а>ит. Это означает, что наибольшее значение погрешности при обработке будет соответствовать погрешности радиального размера и огранка обработанной поверхности.

Рис.8. ШУ станка мод.1И140П и схема разбиения на конечные элементы

Методика определения параметров состояния ШУ на основе взаимосвязи между колебаниями корпуса и переднего конца шпинделя содержит два условия. Первое -когда вектор вибрации шпинделя X(t) является полностью наблюдаемым. В этом случае используется следующая методика вибродиагностики ИГУ:

1) по экспериментально измеренным составляющим вектора вибрации шпинделя Х(1) вычисляется вектор комплексных амплитудных спектров вибрации шпинделя -

Хф;

2) используя выражения частот возмущающих сил от погрешностей, возникающих в подшипниках качения, определяются значения тех частот, где спектры возмущающих сил равны нулю и на этих частотах определяются значения коэффициентов функции контактирования - у,;

3) после этого определяются значения дефектов на частотах, где спектральные характеристики возмущающих сил не равны нулю;

4) пп 1-3 повторяются при разных частотах вращения шпинделя с целью повышения точности результатов диагностирования;

5) сравнивают полученные значения дефектов г с допустимыми [г] и по решающему правилу г £ [г] определяется состояние ИГУ, т.е. величины дисбалансов, погрешности беговых дорожек колец подшипников и их перекосы, разноразмерность тел качения.

В реальных условиях измерений, когда нет возможности полностью наблюдать вектор колебаний шпинделя, и с целью сокращения количества измерительных устройств и повышения надежности диагностирования, применяется методика вибродиагностики ШУ при неполной наблюдаемости вектора вибрации шпинделя, состоящая из следующих этапов:

1) по экспериментальным данным о вибрации корпуса ШУ получают комплексный амплитудный спектр Ук(/) при частотах вращения шпинделя исключающих совпадение собственных и параметрических частот,

2) с использованием функции когерентности у2^, осуществляется переход от спектра колебаний корпуса У^ф к спектру колебаний переднего конца шпинделя

хгш(0;

3) используя выражение для составляющей из вектора комплексных амплитуд спектров, соответствующей переднему концу шпинделя, определяется систему линейных функциональных уравнений (по пп.1-2) на разных частотах вращения шпинделя, число уравнений при этом должно быть равно количеству дефектов с одинаковыми информационными частотами;

4) при значениях частот возмущающих сил из полученной системы формируется система линейных уравнений, решением которой будут являться значения дефектов

Итоговая методика определения областей состояния выходных параметров точности ШУ по характеристикам бысгропротекающих процессов следующая:

1) на основании результатов вибродиагностики или анализа конструкции и технологических требований определяются наиболее значимые дефекты ШУ;

2) рассчитывается диапазон возможных значений информационных частот для каждого дефекта, при изменении частоты вращения шпинделя от 0 ло/^;

3) диапазон возможных значений информационных частот сравнивается с диапазоном частот, где податливость ШУ имеет максимальные значения и, если имеется совпадение, то находятся соответствующие частоты вращения шпинделя;

4) для определенных таким образом частот вращения шпинделя и соответствующих им информационных частот дефектов, рассчитывают спектры колебаний переднего конца шпинделя;

5) на основании решающего правила сравниваются рассчитанные спектры колебаний с опорными и делается заключение о состоянии ШУ.

При этом необходимо иметь опорные спектры для наиболее точных видов обработки, реализуемых на станке.

Экспериментальные исследования по идентификации передаточной функции, связывающей колебания переднего конца шпинделя и корпуса ШУ проводились на выборке из 89 ШУ.

При использовании ср'едневероягных значений передаточных функций значения погрешности определения колебаний шпинделя по колебаниям корпуса не будет превышать: по оси У - 11,5 %, по оси Ъ - 7 %, по оси X - 17 %. Данную точность можно считать удовлетворительной для вибродиагностики.

К предварительному этапу вибродиагностики в условиях неполного наблюдения вектора виброперемещений относится определение на собственных частот системы и расчет матрицы динамической податливости. Определение частот собственных колебаний шпинделя необходимо для исключения возможности попадания в зону параметрического резонанса. Для расчетной схемы ПГУ (см.рис.8) из всей матрицы динамической податливости требуется строка, которая связывает перемещения переднего конца шпинделя Ул (51-я обобщенная координата) с силами, приложенными в узлах.

В табл. 1 приведен пример значений некоторых составляющих матрицы динамической податливости \Wshj] для) = 6, 12, 15, 27, 36, 39, 42, 51, связывающих колебания переднего конца шпинделя по оси У с силами, приложенными соответственно: в ременной передаче; заднем и переднем подшипниках задней опоры; устройстве зажима прутка; заднем, среднем и переднем подшипниках передней опоры; переднем конце шпинделя. Диапазон частот от 0 до 1000 Гц.

Анализ данных динамических податливостей ШУ позволяет сделать вывод, что в частотный спектр вибраций переднего конца шпинделя входят все частотные составляющие возмущений; в то же время по влиянию на амплитудный спектр, в зависимости от частоты колебаний, основные источники меняются. Кроме того, на амплитудный спектр колебаний шпинделя влияют величины возмущающих сил от дефектов. В случае наличия грубых дефектов это влияние, даже при небольшой динамической податливости, может бьггь преобладающим.

Таблица 1

Динамические податливости ШУ, приведенные ■ к переднему концу шпинделя

Частота f, Гц Динамические податливости, мкм/кН

IW51,12( Iwji.ul |w5l,n[ twsuil lw5l,39l lwsi,«| lWM,5li

0 0,74 0,33 0,43 1,02 0,43 0,91 1,44 2,86

230 1,08 0,35 0,48 1,18 0,4 0,91 1,48 2,98

340 1,9 0,35 0,52 1,45 0,35 0,91 1,53 3,16

450 13,46 0,63 0,26 3,39 0,17 . 0,69 1,63 4,07

470 53,71 5,78 2,86 8,21 2,39 1,7 1,68 4,26

490 13,84 2,21 1,59 0,64 0,97 1,23 1,64 2,87

550 3,98 • 1,34 1,33 1,55 0,41 1,02 1,69 3,58

630 2,77 1,86 1,95 2,97 0,03 0,89 1,83 4,21

700 4,26 4,27 4,74 8,21 1,32 0,41 2,09 6,92

750 19,61 22,41 24,74 46,12 13,28 5,27 3,02 19,65

820 1,48 2,77 3,09 5,49 2,71 2,23 1,8 1,16

970 0,25 0,82 0,92 1,79 1.85 2,13 2,23 3,13

Опорный амплитудный спектр колебаний переднего конца шпинделя (рис.9) строится на основе паспортных данных станка. Для ТРА мод.1И140П точности обработки деталей до 0 40 мм должна обеспечиваться по 7 квалитету, т.е. некруглость обработанных деталей не должна превышать 6 мкм, волнистость - 4 мкм я шероховатость 11а не более 2,5 мм.

По этим данным построены первая, вторая и третья зоны опорного амплитудного спектра колебаний переднего конца шпинделя по оси У.

в • - |— —

I I

i! L.

-1-1-

X 45

Рис.9. Опорный амплитудный спектр колебаний переднего конца шпинделя

г/г.

2

1

3

2 - -

Разработан алгоритм нормирования предельных значений дефектов на основе определения выходных параметров точности ИГУ (рис. 10).

Рис.10. Алгоритм нормирования предельных значений дефектов по опорному спектру колебаний

В блоке 1 алгоритма задаются возможные виды дефектов. Как правило, наиболее часто встречаются следующие: дисбалансы; перекосы колец; овальность, трехгран-ность и эксцентриситеты беговых дорожек колец; разноразмерность шариков.

В блоке 3 алгоритма происходит генерация всех возможных сочетаний дефектов. При наличии несоосности посадочных мест на шпинделе под шкив, механизм зажима прутка и подшипники возникают семь источников погрешностей.

В блоке 4 алгоритма информационные частоты имеющихся в сочетании дефектов сортируются по зонам опорного спектра, что связано с разными уровнями допустимых амплитуд виброперемещений шпинделя.

В блоке 5 происходит расчет предельных величин для каждого сочетания дефектов, при котором амплитудный спектр колебаний шпинделя меньше опорного спектра.

Для расчета амплитудного спектра используются определенные ранее динамические податливости.

В блоке 6 происходит выбор минимальных предельных значений по каждому дефекту. После перебора всех возможных сочетаний в блоке 8 выводятся на печать предельные значения дефектов.

Для повышения класса точности станка были рассчитаны предельные значения дефектов исходя из ужесточенного опорного спектра колебаний.

По предельным значениям дефектов могут быть рассчитаны предельные значения погрешностей обработки посадочных мест под подшипники качения передней и задней опор.

Технологическая операция вибродиагностики на участке сборки шпиндельных узлов станков позволяет обнаруживать неявные дефекты изготовления и сборки элементов ШУ и принимать решения по их устранению. Внедрение этой операции в техпроцессе изготовления станка создает предпосылки для аттестации системы качества машиностроительного производства в соответствии со стандартами ISO 9000.

Экспериментальные исследования процессов средней скорости - температурных полей и тепловых деформаций ШУ подтвердили наличие в конструкции ШУ термоогранки посадочных поверхностей под подшипники, вызванной несимметричностью условий теплообмена. Таким образом, к погрешностям изготовления и сборки подшипников ШУ добавляется погрешность эксплуатации, которая приводит не только к появлению дополнительной погрешности радиального размера изделия, но и к появлению по-грешносги формы изделия - вследствие переноса дефекта с посадочной поверхности на дорожку качения подшипника, а с нее на обрабатываемое изделие. Для преодоления указанного недостатка рекомендуется введение дополнительных радиаторов на наружной поверхности ПГУ или изготовление конструкции шпиндельной бабки в виде цилиндра с базированием на платики, расположенные на центровых линиях цилиндра.

Результаты экспериментального исследования теплового тренда характеристического вектора в сопоставлении с теоретическим моделированием выхода ШУ в термостабильный режим приведены на рис. 11,

Погрешность моделирования не превышает 10 %, что является приемлемым для тепловых расчетов

Экспериментальные исследования трибологических характеристик шарикоподшипников ШУ были совмещены с процессом обкатки шпиндельных бабок на обкаточ-но-диагностическом стенде в АО "ХСЗ". Обкатка позволяет проследить за изменением амплитудно-частотного спектра колебаний переднего конца шпинделя в течение времени и, в конечном итоге, моделировать параметрическую надежность станка по выходу амплитудно-частотных характеристик за пределы опорного спектра или области работоспособности. Скорость изменения амплитудных спектров колебаний характеризует интенсивность изнашивания, что оказывает влияние на изменение жесткости подшип-

ника в процессе эксплуатации. На рис.12 показано изменение АЧХ в зависимости от изменения жесткости подшипников.

Тепловой тренд характер-го вектора.

Резчльтат моделирования•

Частота вращения 1588.В о^/мин. Предварительный натяг 500.В Н. Время терностабилиэаЦии 150 мин. Тепловой тренд по оси X 17.8 мкм. Тепловой тренд по оси У 11.8 мкм. Тепловой тренд по оси Z 22.1 МКМ.

Эксперимент

156 мин. 18.95 мкм. 10.35 мкм. 23.8 мкм.

Рис. 11. Выход ИГУ в термостабильный режим по результатам моделирования и эксперимента

Рис. 12. Изменение АЧХ переднего конца шпинделя в процессе эксплуатации

С трибологической и динамической точки зрения для объединения исследованных достоинств "жестких" и "мягких" методов создания предварительного натяга в подшипниках предложена к разработке адаптивная система преднатяга, сохраняющая фактический натяг и нечувствительная к износу рабочих поверхностей.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ П ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Раскрытие взаимосвязи разноскоростных процессов в шпиндельном узле и зоне резания показали, что ШУ является детерминантом при расчете точности механообработки и параметрической надежности станка Изменение основных характеристик динамического состояния ШУ в процессе эксплуатации - жесткости, демпфирования и возмущающих сил, взаимосвязанных с тепловыми и трибологическими характеристиками, имеет, во-первых, превалирующее влияние на обеспечение точности механообработки, особенно на чистовых и получистовых режимах, во-вторых является решающим фактором при формировании спектра колебаний переднего конца шпинделя, с помощью которого определяется параметрическая надежность станка. Применение этих качественных принципов позволило сделать и получить следующие основные выводы и результаты.

1 Основу разработанной методологии обеспечения и сохранения во времени точности станков составляют концептуальная комплексная вибротрибологическая модель состояния шпиндельного узла и математическая модель для расчетов параметров точности механообработки с учетом фактического состояния элементов динамической системы шпиндельный узел-зажимное приспособление-инструмент и взаимосвязи характера и параметров колебаний с действительным значением силы резания. Предложен метод обеспечения точности механообработки на токарных станках, основанный на выборе рациональных технологических режимов обработки и позволяющий ограничить влияние колебаний динамической системы на параметры точности обработки. Научно обоснована концепция комплексного подхода в моделировании характеристик качества ШУ, которая заключается в совместном решении уравнений динамики, термо-упругодеформированного и трибологического состояния конечно-элементной декомпозиции механической системы ШУ

2 Полученные расчетные зависимости погрешностей обработки подтверждают основное влияние погрешностей, возникающих в шпиндельном узле. Зависимости рекомендуются к использованию при расчетах получистовых и чистовых режимов

3. С помощью установки оперативного определения динамических параметров рассматриваемой системы проведено статистическое определение характеристик жесткости и демпфирования колебаний токарного оборудования. Существенный разброс характеристик жесткости для группы однотипных деталей, устанавливаемый на токарных станках, обуславливается условиями эксплуатации этих станков. Для достижения требуемых параметров точности обработки на подобных станках необоснованно при-

менение нормативных режимов обработки; это приводит к появлению погрешности размера, формы, огранки и волнистости. Целесообразность дальнейшей эксплуатации подобного оборудования может быть достигнута двумя способами:

- определением режимов резания, обеспечивающих требуемую точность обработки и заданную производительность;

- повышением жесткости и демпфирования ШУ и сохранением этих характеристик во время эксплуатации станка.

4. Разработанная комплексная концептуальная вибротермотрибологическая модель ШУ на радиально-упорных подшипниках включает в себя:

- динамическую модель, определяющую форму круговой траектории шпинделя на неидеальных подшипниках и учитывающую возмущающие усилия: дисбаланса шпинделя и закрепленных на нем элементов; технологических дефектов изготовления и сборки элементов подшипников; от центробежных сил в подшипниках; привода; усилия резания. В модели учтен нестационарный характер жесткости шпинделя и опор;

- упругодеформационную, определяющую нагрузки и упругие перемещения элементов ШУ;

- тепловую, определяющую температурное поле и тепловые деформации ШУ с учетом неидеального контакта в стыках;

- модель износа контактируемых поверхностей в подшипниках с учетом нагрузок в узлах трения от преднатяга и температурных деформаций.

Комплексная модель включает в себя аналитические выражения для расчета тепловыделения, демпфирования в опорах, коэффициентов теплообмена с поверхности ШУ. Модель позволяет адекватно учитывать влияние тепловых деформаций и износа контактируемых поверхностей подшипников на форму круговой траектории шпинделя и обеспечивать повышенную точность расчета погрешности обработки. Существенным преимуществом модели является рассмотрение совместных колебаний шпинделя и корпуса ШУ.

5. Разработана методика вибродиагностики шпиндельного узла, основанная на использовании диагностической модели ШУ, полученной посредством интегрального преобразования Фурье к модели колебаний. Методика позволяет определять параметры состояния на основе диагностической модели и экспериментальных спектров колебаний шпинделя.

При ограниченной наблюдаемости колебаний шпинделя разработана методика определения связи между колебаниями корпуса ШУ и переднего конца шпинделя, основанная на оценке достоверности с использованием функции когерентности. Область частот, где когерентность имеет значение близкое к единице, можно использовать для определения колебаний шпинделя по вибрации корпуса.

6. Разработана методика расчета точности и параметрической надежности ШУ и станка в целом, основанная на результатах сравнения амплитудно-частотного спектра колебаний опорной точки шпинделя с нормированным опорным спектром через опре-

деланные интервалы времени эксплуатации. Методика позволяет получать значения параметрической надежности как для отдельного ШУ (индивидуальное прогнозирование), так и вероятностные показатели надежности для группы однотипных ШУ при использовании статистических данных изготовления и эксплуатации узла.

7. Разработана экспертная система "ЭСКОРТ" проектирования шпиндельных узлов заданной параметрической надежности, которая позволяет определять конструктивные параметры, режимы эксплуатации и состоит из программного комплекса, обладающего многофункциональным интерфейсом пользователя, и включающего в себя программные модули для: анализа чувствительности показателей точности к размерам, предельным отклонениям элементов ШУ и к условиям гарантированного обеспечения заданных параметров выходной точности ШУ; альтернативного проектирования систем обеспечения качества на основе гидрорубашек и тепловых труб, встроенных в шпиндельный узел.

8. В производственную и лабораторную практику внедрены автоматизированные обкаточно-диагностические стенды для шпиндельных узлов, которые позволяют производить технологическую операцию обкатки ШУ, в процессе которой осуществляется с использованием принципов вибродиагностики ввод и нормализация вибросигналов, вычисление спектральных характеристик, измерения температурных полей и параметров трибологических сопряжений.

9. Разработана методика нормирования предельных допустимых погрешностей изготовления и сборки ШУ, основанная на определении таких частот вращения шпинделя, когда амплитудные спектры виброперемещений переднего конца шпинделя имеют максимальные значения и происходит сравнение их с опорными спектрами. Вибродиагностика состояния ШУ позволяет определить выходные параметры точности и нормировать предельные значения величин дефектов ШУ и его деталей

10. Создание базы данных по обрабатываемым деталям, режимам обработки и характеристикам жесткости и демпфирования колебаний позволило разработать и внедрить в АО "Хабаровский станкостроительный завод", АО "Московский станкостроительный завод", АО "Читинский станкостроительный завод", АО "Дальдизель", АО "Дальсельмаш", Комсомольском-на-Амуре авиационном производственном объединении и других машиностроительных предприятиях и организациях Дальнего Востока РФ программный комплекс (ПК) для выбора рациональных значений технологических режимов, обеспечивающих обработку деталей с заданными параметрами точности. С помощью ПК разрабатываются рекомендации по обеспечению точности механообработки на токарных станках и изменению динамических характеристик и режимов эксплуатации оборудования.

Основное содержание работы изложено в следующих публикациях:

1. Клепиков С И. Параметрическая надежность станков //Учебное пособие. - Хабаровск: Изд-во Хабар, гос. техн. ун-та, 1996. - 79 с.

2. Гордеев А.Ф., Клепиков С.И., Крекотень В.А. Функциональное диагностирование металлорежущих станков //Пути снижения расхода металла на станкостроительных предприятиях БССР: Тез. докл. респуб. конф. - Минск, 1982,- С. 19.

3. Гордеев А.Ф., Клепиков С.И., Крекотень В.А. К вопросу о прогнозировании работоспособности шпиндельных узлов металлорежущих станков //Второй Всесоюзный съезд по теории машин и механизмов: Тез. докл. - Киев, 1982. - С. 114.

4. Клепиков С.И. Диагностика станка на стадии проектирования //Состояние и перспективы применения вычислительной техники в машиностроительной промышленности Узбекистана: Тез. докл. республ. науч.-техн. конф. - Ташкент, 1982.

5. Клепиков С.И. Повышение надежности оборудования ГПС путем технической диагностики на стадиях проектирования и эксплуатации //Применение робототехни-ческих комплексов и гибких автоматизированных систем на предприятиях Хабаровского края: Тез. докл. науч.-техн. конф. - Хабаровск, 1986. - С. 3.

в., Ивахненко А.Г., Клепиков С.И. Прогнозирование параметрической надежности машин методом сетевого стохастического моделирования //Известия ВУЗов. Машиностроение. - 1987. - № 1.

7. Клепиков С.И. К вопросу автоматизации технической диагностики станков с ЧПУ //Опыт применения автоматических станочных систем: Тез. докл. науч.-техн. конф.

- Хабаровск, 1988. - С. 18.

8. Клепиков С.И., Ивахненко А.Г., Андреев А.А. Автоматизированный комплекс по-узловой вибродиагносгики станков //Повышение эффективности использования автоматизированных комплексов на предприятиях Дальнего Востока: Тез. докл. науч.-техн. конф. - Комсомольск-на-Амуре: Изд-во КнАПИ, 1989. - С. 17.

9. Клепиков С.И., Ивахненко А.Г. Вибродиагностика механических систем по их частотным характеристикам //Известия ВУЗов. Машиностроение. - 1990. - № 6. - С. 34-36.

10 Клепиков С.И, Ивахненко А.Г. Предэксплуатационная диагностика шпиндельных узлов на стадии сборки //Повышение надежности функционирования гибких производственных систем конструкторскими и технологическими методами: Сб. науч. тр.

- Хабаровск: Хабар, политехи, ин-т, 1990. - С. 42.

11. Клепиков С.И., Ивахненко А.Г. Нормирование показателей точности изготовления и сборки шпиндельных узлов //Надежность технологического оборудования, качество поверхности, трение и износ: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. - Хабаровск: ХФ ЦНИИТС, 1991. - С. 29.

12. Клепиков С.И., Ивахненко А.Г. Вибродиагностика параметров предэксплуатацион-ного состояния шпиндельных узлов //Надежность технологического оборудования,

качество поверхности, трение и износ: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. - Хабаровск: ХФЦНИИТС, 1991.-С. 53.

13. Клепиков С.И., Ивахненко А.Г. Математическое и диагностическое моделирование шпиндельных узлов (ИГУ) одношпиндельных ТРА //Надежность технологического оборудования, качество поверхности, трение и износ: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. - Хабаровск: ХФ ЦНИИТС, 1991. - С. 68.

14 Клепиков С.И., Климов С.В. К вопросу о связи колебаний и тепловых деформаций станков //Надежность технологического оборудования, качество поверхности, трение и износ: Тез. докл. Всесоюз. науч.-техн. конф. - Хабаровск: ХФ ЦНИИТС, 1991. -С. 131.

15. Klepikov S.I. Vibrodiagnostic methods of rotory sistem parametrical reliability //The actual problems of the scientific and technological progress of the Far Eastern Region of the base of Soviet Union - China direct cooperation: the first Soviet Union - China Symposium: Proceedengs. - Khabarovsk: KSTU, 1991. - P. 172.

16. Клепиков С И., Климов С.В. Моделирование тепловых и вибрационных процессов шпиндельных узлов //Проблемы создания и эксплуатации технологического оборудования и гибких производственных систем: Тез. докл. рос. науч.-практ. конф. -Хабаровск, 1992. - С. 90

17 Клепиков С.И , Румановский И.Г. Математическое моделирование выходных параметров точности ШУ при совместном действии процессов быстрой и средней скорости //Наукоемкие технологии и проблемы их внедрения на машиностроительных и металлургических предприятиях Дальнего Востока' Тез. докл. межд. науч -техн симпозиума. - Комсомольск-на-Амуре: Изд-во КнАПИ, 1994. - С 21.

18 Клепиков С И, Заев В.В. Прогнозирование качества и надежности шпиндельных узлов при взаимодействии процессов быстрой и медленной скорости //Наукоемкие технологии и проблемы их внедрения на машиностроительных и металлургических предприятиях Дальнего Востока: Тез докл. межд науч -техн. симпозиума. - Комсомольск-на-Амуре: Изд-во КнАПИ, 1994. - С. 65.

19. Klepikov S.I., Rumanovsky I.G. Modelling of Accuracy and technological reliability of metal-cutting machines //Study and application of new technology //Chief editors Meng Xiangcai, Liu Zhenhua, S.I.Klepikov - Harbin Engineering University Press, 1994. - p. 36-44

20 Klepikov S I, Zaev V V. Influence estimation of Physical processes in a bearing upon wear intensity //Study and application of new technology //Chief editors Meng Xiangcai, Liu Zhenhua, S.I.Klepikov. - Harbin Engineering University Press, 1994. - p. 96-99.

21. Klepikov S.I. The vibration diagnostics of the metal-cutting tools //Adrances in science and technology in Far East. //The fourth international simposium. - Harbin, P.R.China, 1995.

22. Клепиков С.И., Заев В.В. Моделирование износа подшипников каче-ния//Комплексное обеспечение точности автоматизированных производств: Сб. статей междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: Ш ТУ, 1995. - С. 45.

23. Клепиков С.И. Управление точностью и параметрической надежностью станков //Комплексное обеспечение точности автоматизированных производств: Сб. статей междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: Ш"ГУ, 1995. - С. 136.

24. Клепиков С.И.,' Румановский И.Г. Обеспечение параметрической надежности шпиндельных узлов путем управления тепловыми характеристиками //Комплексное обеспечение точности автоматизированных производств: Сб. статей междунар. на-уч.-техн. конф. - Пенза: ПГТУ, 1995. - С. 139.

25. Клепиков С.И., Заев В.В. Учет взаимодействия процессов различной скорости при прогнозировании качества и надежности шпиндельного узла //СТИН. - 1995. - № 8. -С. 21-23.

26. Клепиков С.И., Ивахненко А.Г., Румановский И.Г., Заев В.В. Автоматизированные методы и средства оценки качества и надежности шпиндельных узлов станков //Проблемы теории проектирования и производства инструмента: Тез. докл. совещ. - Тула: ТГУ, 1995. - С. 97-99.

27. Клепиков С.И., Заев В.В. Программное управление процессом обкатки шпиндельных узлов //Известия ВУЗов. Машиностроение. - 1995. № 7-9. - С. 73.

28. Клепиков С.И., Румановский И.Г. Моделирование параметрической надежности шпиндельных узлов с учетом взаимодействия процессов быстрой и средней скорости //Известия ВУЗов. Машиностроение. - 1995. № 7-9. - С. 77-82.

29. Разработка автоматизированных методов и средств оценки качества и надежности шпиндельных узлов станков. Грант по машиностроению: Отчет заключит. Рук. С.И.Клепиков /Хабар, гос. техн. ун-т. - № ГР 0195.000422. - Хабаровск, 1995.

30. Разработка комплексной программы подготовки к сертификации и аттестации машиностроительных предприятий Дальневосточного региона. Отчет заключит, по федеральной программе "Дальний Восток России". Рук. С.И.Клепиков /Хабар, гос. техн. ун-т. -№ГР 0195.00002691. - Хабаровск, 1996.

31. Клепиков С.И., Румановский И.Г. Использование экспертной системы "ЭСКОРТ" для обеспечения качества при проектировании шпиндельных узлов //Проблемы управления точностью автоматизированных производственных систем: Сб. статей междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: ПГТУ, 1996. - С. 163-164.

32. Клепиков С.И. Комплексное моделирование точности и параметрической надежности шпиндельных узлов станков //Конструкторско-технологическая информатика КТИ-96: Тр. междунар. конгресса. -М.: МГТУ "Станкин", 1996. -С.72-73.

33. Клепиков С.И., Заев В.В. Программные испытания шпиндельных узлов //Проектирование технологических машин: Сб. науч. тр.. - М.: МГТУ "Станкин", 1996. Вып. 1,-С. 62-63.

34. Клепиков С И., Румановский И.Г. Прогнозирование выходных параметров точности шпиндельных узлов //Проектирование технологических машин: Сб. науч. тр. - М.: МГТУ "Станкин", 1996. Вып. 1,-С: 63-64.

35. Клепиков С.И. Комплексное моделирование процессов в шпиндельном узле металлорежущего станка : Информационный листок № 99-96. - Хабаровск: ЦНТИ, 1996.

36 Клепиков С.И., Румановский И.Г. Математическая модель определения выходных параметров точности шпиндельных узлов при совместном действии процессов быстрой и средней скорости //Автоматизированные станочные системы и роботизация производства: Сб. науч. тр. - Тула, 1995. - С. 107-118.

37. Клепиков С И , Ивахненко Е.О. Выбор рациональных технологических режимов для обеспечения качества обработки на токарных станках //Точность автоматизированных производств: Сб. статей междунар. науч.-техн. конф. - Пенза: ПГТУ, 1997. - С. 7-9.

38. Клепиков С И., Заев В.В., Румановский И Г. Трибологические принципы назначения режимов обкатки шпиндельных узлов //Актуальные проблемы создания, проектирования и эксплуатации современной техники: Сб. науч. тр. - Хабаровск: Изд-во Хабар, гос. техн. ун-та, 1997. - С. 36-38.

39 Клепиков СИ., Ивахненко Е.О. Моделирование влияния динамической системы СПИД и процесса резания на параметры точности токарной обработки //V междунар. науч.-техн конф по динамике технологических систем: Тез. докл - Ростов-на-Дону ДГТУ, 1997. Т.II - С. 22-23.

40 Клепиков С И., Ивахненко Е.О Методика обеспечения заданных параметров точности токарной обработки //Проблемы механики сплошной среды: Материалы межд науч -тех конф - Комсомольск-на-Амуре. Изд-во КнАГТУ Ч. II, 1998 - С 129-¡31.

41. Klepikov S.I., Ivakhnenko Е.О. The tasks of modelling of interaction of a dinamic sistem

and working processes of the machine tool //The technical progress problems of the Far East Region. - Volume N 3 /Chief editors S.I.KIepikov and Liu Zhenhua - Khabarovsk: KSTU, 1997. - P. 57-61.

42. Клепиков С.И. Вибротермотрибологическое моделирование шпиндельных узлов

станков //СТИН - 1998. - Ла 1. - С 3-4

Же

Клепиков Сергей Иванович

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ И ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ СТАНКОВ НА ОСНОВЕ РАСКРЫТИЯ ВЗАИМОСВЯЗИ ПРОЦЕССОВ В ШПИНДЕЛЬНОМ УЗЛЕ И ЗОНЕ РЕЗАНИЯ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

Лицензия на издательскую деятельность №020526 от 23.04.92

Подписано к печати 24.04.98. Формат 60 х 84 1/16. Бумага писчая. Офсетная печать. Усл. печ. л. 2,32. Уч.-изд. л. 2,00. Заказ 80. Тираж 100 экз. С 082.

Издательство Хабаровского государственного технического университета. 680035, Хабаровск, ул.Тихоокеанская, 136.

Отдел оперативной полиграфии издательства Хабаровского государственного технического университета. 680035, Хабаровск, ул.Тихоокеанская, 136.



Министерство общего и профессионального образования

Российской Федерации Хабаровский государственный технический университет

^ ^ г' р -- // ^ ^ На правах рукописи

^вр1 Клепиков Сергей Иванович

^ <

..............УДК 621.941.01-187/-192

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ И ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ СТАНКОВ НА ОСНОВЕ РАСКРЫТИЯ ВЗАИМОСВЯЗИ ПРОЦЕССОВ В ШПИНДЕЛЬНОМ УЗЛЕ

И ЗОНЕ РЕЗАНИЯ

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

Диссертация

на соискание ученой степени доктора технических наук

(¿Алм

Хабаровск 1998

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ............................................................................. 6

ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЙ....................................................... 10

1.1. Современные требования к точности обработки деталей на металлорежущих станках................................................... 10

1Л Л. Точность и параметрическая надежность металлорежущих

станков...................................................................... 12

1Л .2. Влияние процессов разной скорости и внешних воздействий

на точность обработки................................................... 19

1Л .3. Существующие методы обеспечения точности и

параметрической надежности обработки деталей.................. 24

1.2. Диагностика шпиндельных узлов, как составная часть методов

по обеспечению качества металлорежущих станков................ 30

1.2 Л. Выходные параметры точности и параметры технического

состояния ШУ............................................................ 36

1.2.2. Анализ методов построения диагностических моделей

шпиндельных узлов...................................................... 42

1.3. Влияние процессов средней скорости на динамическое

качество ШУ................................................................. 49

1.4. Влияние процессов медленной скорости на динамическое

качество ШУ................................................................. 54

1.4.1. Влияние нагружения на интенсивность изнашивания............ 56

1.4.2. Влияние относительной скорости скольжения на интенсивность изнашивания........................................... 58

1.4.3. Влияние температуры на интенсивность процессов изнашивания............................................................... 59

1.4.4. Влияние вибрации на интенсивность износа....................... 60

1.4.5. Определение граничных параметров износа........................ 62

1.5. Применение экспертных систем для обеспечения выходной точности и надежности станков.......................................... 64

1.6. Прогнозирование параметрической надежности ШУ................ 70

1.7. Цель и задачи исследования.............................................. 74

ГЛАВА 2. ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ,

ПРОИСХОДЯЩИХ В СИСТЕМЕ ШПИНДЕЛЬНЫЙ УЗЕЛ-

ЗАЖИМНОЕ ПРИСПОСОБЛЕНИЕ-ЗАГОТОВКА-ИНСТРУМЕНТ,

С ЦЕЛЬЮ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТОЧНОСТИ МЕХАНООБРАБОТКИ....... 76

2.1. Расчетные схемы и математическая модель механообработки....... 76

2.2. Методика определения рациональных режимов резания для обеспечения заданных параметров точности............................. 92

2.3. Структура программного комплекса для определения рациональных режимов, обеспечивающих заданные параметры точности обработки............................................................. 95

2.4. Моделирование динамических характеристик механической системы и параметров точности механообработки с помощью передаточных функций резания Upe3, возмущающих усилий со стороны шпиндельного узла UB и дисбаланса заготовки ид......... 101

2.5. Экспериментальные исследования динамической системы с целью определения точности механообработки.................................. 109

2.5.1. Экспериментальное определение коэффициентов жесткости

и демпфирования динамической системы............................. 110

2.5.2. Экспериментальные исследования точности обработки деталей.

Адекватность моделирования процесса механообработки......... 127

2.6. Расчет точности обработки с учетом динамических процессов, происходящих в шпиндельном узле и зоне резания. Рекомендации

по обеспечению точности механообработки..............................140

2.7. Выводы........................................................................... 145

ГЛАВА 3. КОНЦЕПТУАЛЬНОЕ ВИБРОТЕРМОТРИБОЛОГИЧЕСКОЕ

МОДЕЛИРОВАНИЕ СОСТОЯНИЯ ШПИНДЕЛЬНОГО УЗЛА......... 147

3.1. Концепция комплексного моделирования.............................. 147

3.2. Моделирование колебаний шпинделя на опорах качения............ 159

3.2.1. Расчетная схема............................................................ 159

3.2.2. Расчет жесткости и демпфирования в опорах без учета смазки.. 163

3.2.3. Расчет жесткости опор с учетом смазочного слоя.................. 164

3.2.4. Расчет демпфирования в подшипнике качения с учетом

смазки........................................................................ 170

3.2.5. Возмущающие силы и моменты в динамической системе шпиндельного узла........................................................ 173

3.2.6. Математическая модель колебаний шпинделя на опорах качения. 176

3.3. Вибродиагностика состояния шпиндельного узла..................... 183

3.3.1. Определение параметров состояния ШУ по частотным характеристикам............................................................ 183

3.3.2. Оценка параметров колебаний шпинделя по вибрации

корпуса ШУ.................................................................. 191

3.4. Математическая модель нестационарных тепловых процессов

в шпиндельном узле.......................................................... 195

3.4.1. Определение тепловыделения в опорах качения.................... 200

3.4.2. Расчет теплопроводности стыков....................................... 204

3.4.3. Расчет коэффициентов теплообмена.................................... 206

3.4.4. Упругодеформационная модель ШУ................................... 210

3.5. Математическое моделирование трибологических процессов

в шпиндельном узле........................................................... 213

3.6. Концептуальная вибротермотрибологическая модель состояния

ШУ................................................................................ 220

3.7. Расчет областей состояния параметров точности и прогнозирование параметрической надежности шпиндельных узлов......... 222

3.8. Выводы........................................................................... 233

ГЛАВА 4. ЭКСПЕРТНАЯ СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ПАРАМЕТРИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ ШПИНДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ............. 236

4.1. Комментарии к структуре экспертной системы.......................... 236

4.2. Конструкторско-технологическая поддержка принятия решений.... 239

4.2.1.Исследование чувствительности выходных параметров качества шпиндельного узла к параметрам его вибротермической системы.. 242

4.2.2. Конструирование элементов шпиндельного узла по заданной величине выходных параметров точности...............................249

4.2.3. Конструктивные схемы обеспечения точности на основе тепловых труб, встроенных в шпиндельные узлы.................... 252

4.3. Пример проектирования шпиндельного узла для станка

мод. 1И140В в системе "ЭСКОРТ"........................................... 258

4.4. Выводы............................................................................ 269

ГЛАВА 5. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ РАЗНОСКО-

РОСТНЫХ ПРОЦЕССОВ И ВИБРОДИАГНОСТИКА ШПИНДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ........................................................................... 270

5.1. Задачи экспериментальных исследований..................................270

5.2. Экспериментальная установка для исследования характеристик ШУ .271

5.3. Экспериментальное исследование колебаний ШУ........................273

5.3.1. Методика определения параметров состояния на основе взаимосвязи между колебаниями корпуса и переднего конца шпинделя.. .280

5.3.2. Экспериментальные исследования характеристик, связывающих колебания шпинделя и корпуса ШУ...................................... 290

5.4. Экспериментальные исследования процессов средней скорости......294

5.4.1. Исследования температурных полей и тепловых деформаций

ШУ на "холостом ходу"..................................................... 294

5.4.2. Исследования вибраций, температурных полей и тепловых деформаций шпиндельного узла под нагрузкой....................... 299

5.5. Экспериментальные исследования трибологических характеристик шарикоподшипников ШУ......................................................301

5.6. Вибродиагностика шпиндельных узлов с целью определения выходных параметров точности..............................................314

5.6.1. Пример расчета характеристик динамической системы шпиндельного узла........................................................... 314

5.6.2. Нормирование предельных значений дефектов на основе определения выходных параметров точности шпиндельного узла. 324

5.6.3. Анализ результатов вибродиагностики шпиндельных узлов

с целью устранения дефектов его элементов............................329

5.7. Выводы............................................................................. 336

ЗАКЛЮЧЕНИЕ И ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.................................... 339

ЛИТЕРАТУРА........................................................................ 344

ПРИЛОЖЕНИЯ...................................................................... 368

ВВЕДЕНИЕ

Обеспечение точности и точностной надежности станков является важнейшей проблемой высокоразвитого машиностроения. Решением этой проблемы занимаются ученые в таких ведущих направлениях науки современного станковедения как динамика станков, надежность станков, динамика процессов формообразования, термодинамика станков, адаптивные системы управления.

Расчеты точностной или параметрической надежности станка уже на стадии проектирования требуют создания таких элементов и узлов станка, которые на протяжении заданного времени обеспечат заданную точность обработки. Основным формообразующим узлом станка является шпиндельный узел (ШУ), на долю которого приходится до 80 % в общем балансе точности обработки деталей. Поэтому понятно пристальное внимание ученых к изучению процессов, происходящих в шпиндельном узле.

Отечественной научной школой успешно решаются задачи исследования колебаний ШУ, термоупругих деформаций его элементов, повышения износостойкости сопрягаемых подвижных соединений. Однако, необходимо отметить, что эти исследования проводятся не только, как правило, вне взаимосвязи между собой, но и не связаны с динамикой процесса резания. Это не позволяет дать количественную оценку точности обработки во взаимосвязи с процессами, происходящими в шпиндельном узле. Кроме того, недостаточно изучены вопросы взаимосвязи между самими процессами разной скорости в ШУ. Все это определяет особенность подхода и цель, поставленную в настоящей работе, которая заключается в обеспечении и сохранении во времени точности станка на основе раскрытия взаимосвязи процессов в шпиндельном узле и зоне резания.

Научной новизной работы является:

1. Методология обеспечения точности станков на основе взаимосвязанного моделирования процессов в зоне резания и шпиндельном узле, которая является основой для проектирования ШУ заданной точности и выбора конкретных режимов обработки в зависимости от параметров динамического состояния ШУ.

2. Концепция комплексного взаимосвязанного вибротермотриболо-гического моделирования состояния ШУ для оценки его выходных параметров точности и параметрической надежности.

3. Математическая модель для расчета динамической системы шпиндельный узел-зажимное приспособление-заготовка-инструмент и определение параметров точности обработки деталей.

4. Принципы обеспечения качества шпиндельного узла, включающие в себя контроль предэксплуатационного состояния с помощью вибродиагностики, нормирование предельных значений технологических дефектов сборки и изготовления ШУ, нормирование режима эксплуатации, проектный расчет геометрических размеров ШУ и его корпуса, конструктивные и эксплуатационные параметры системы управления тепловым состоянием ШУ.

5. Критерии и метод оценки параметрической надежности ШУ с учетом взаимодействия разноскоростных процессов.

На защиту выносятся результаты решения крупной научно-технической проблемы - создания теоретических основ обеспечения точности станков с учетом взаимовлияния разноскоростных процессов в шпиндельном узле и процесса резания.

Автор защищает:

1. Результаты теоретических и экспериментальных исследований по обеспечению требуемой точности токарной обработки на основе математического моделирования взаимосвязи процессов разной скорости, происхо-

дящих в шпиндельном узле, с динамическими процессами в зоне резания и соответствующих их конкретных режимов обработки.

2. Концепцию комплексного взаимосвязанного моделирования процессов быстрой, средней и медленной скорости, происходящих в шпиндельном узле, и учитывающую:

- нестационарный характер жесткости и демпфирования в опорах, мощности тепловыделения;

- влияние нагружения, относительной скорости скольжения на интенсивность изнашивания;

- взаимовлияние разноскоростных процессов.

3. Метод оценки параметрической надежности станка по амплитудно-частотному спектру опорной точки шпинделя, полученному в результате решения комплексной вибротермотрибологической модели состояния ШУ.

4. Экспертную систему обеспечения параметрической надежности ШУ, включающую в себя вибродиагностические методы контроля предэкс-плуатационного состояния, нормирование предельных значений технологических дефектов сборки и изготовления ШУ, нормирование режима эксплуатации, проектный расчет геометрических размеров ШУ и его корпуса, конструктивные и эксплуатационные параметры системы управления тепловым состоянием ШУ.

5. Теоретические и экспериментальные методы, математические и диагностические модели состояний, алгоритмы и программно-математическое обеспечение, применяемые при проведении исследований проблемы.

Диссертация обобщает работы, ведущиеся под руководством автора в Хабаровским государственном техническом университете (ранее Хабаровском политехническом институте) с 1981 г. в соответствии с планами научно-исследовательских работ по заданиям машиностроительных мини-

стерств и предприятий, в рамках реализации федеральной целевой программы "Дальний Восток России" в 1993-97 гг., гранта по машиностроению "Разработка автоматизированных методов и средств оценки качества и надежности шпиндельных узлов станков" в 1994-95 гг.

Диссертация состоит из введения, пяти глав, общих выводов и заключения.

ГЛАВА 1. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ, ЦЕЛЬ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ

1.1. Современные требования к точности обработки деталей на металлорежущих станках

Новые высокотехнологические производства предъявляют очень жесткие требования к точности составляющего его технологического оборудования. В конечном итоге все замыкается на точности машин для производства машин - металлорежущих станков, точность которых в большей степени объясняется точностью их формообразующих узлов - шпиндельных узлов, суппортов и др. При этом чрезвычайно важно сохранение точности под нагрузкой и во времени.

Это является критериями при разработке конструкций станков и условий их эксплуатации, методов обеспечения точности и параметрической надежности. Существует несколько таких методов.

Технологические методы повышения параметрической или точностной надежности базируются на расчетно-аналитических методах, заключающихся в определении влияния каждой из причин, вызывающих погрешность обработки с последующим их суммированием. Этот метод достаточно подробно изложен в работах А.П.Соколовского, А.И.Каширина,

B.С.Корсакова, Н.М.Дальского, Н.М.Капустина, А.А.Маталина,

C.П.Митрофанова, И.А.Коганова, Я.Б.Яхина, А.Н.Гаврилова, П.И.Ящерицина и др. Развитием этого метода было применение теории размерных цепей, когда, например, погрешность размера из-за упругих перемещений, вызванных нестабильностью сил резания, представляется как сумма упругих перемещений составляющих звеньев технологической системы. Это направление связано с именами Б.С.Балакшина,

Ю.М.Соломенцева, В.Г.Митрофанова, Б.М.Базрова, В.Т.Тимирязева, С.П.Протопопова.

Разработанные методы расчета точности создали предпосылки для разработки технологических методов управления точностью, к числу которых относятся:

- оптимизация наладки;

- оптимизация режимов резания;

- оптимизация выбора смазочно-охлаждающих сред;

- расчет предыскажения программы для станков с ЧПУ;

- оптимизация параметров инструмента;

- оптимизация цикловых и внецикловых движений.

К технологическим можно также отнести и системы автоматического управления точностью металлорежущих станков, которые в наиболее общем виде можно классифицировать следующим образом:

- системы активного контроля;

- системы адаптивного управления;

- системы диагностики;

- системы комплексного управления технологической (точностной) надежностью.

Технологические методы обеспечения точности и точностной надежности нашли сильное развитие в технологической школе МГТУ "СТАНКИН" под руководством Ю.М.Соломенцева.

К организационным методам можно отнести следующие:

- стабилизация качества заготовок;

- стабилизация качества инструмента;

- организация ремонта и обслуживания станков.

Технологические и организационные методы играют весьма важную

роль в обеспечении точности и точностной надежности обработки деталей на станке, однако более подробно следует остановиться на конструктивных

методах, которые рассматривают качество и надежность конструкции металлорежущего станка на всех этапах его жизненного цикла.

1.1.1. Точность и параметрическая надежность металлорежущих станков

Решение одной из главных проблем машиностроения - получение заданной точности обработки при определенной конкретной надежности технологического оборудования - возможно при по