автореферат диссертации по технологии, машинам и оборудованию лесозаготовок, лесного хозяйства, деревопереработки и химической переработки биомассы дерева, 05.21.05, диссертация на тему:Оценка и прогнозирование надежности фрезерного суппорта на этапах проектирования и отработки опытного образца

На плавах рукописи

СЕРЕГИН Николай Григорьевич

ОЦЕНКА И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ НАДЕЖНОСТИ ФРЕЗЕРНОГО СУППОРТА НА ЭТАПАХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ОТРАБОТКИ ОПЫТНОГО ОБРАЗЦА

Специальность 05,21.05 -" Технология и оборудование деревообрабатывающих производств, древесиноведение"

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва -1998

Работа выполнена на кафедре станков и инструментов Московского государственного университета леса.

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор В.В.Амалицкий

Научный консультант - кандидат технических наук, доцент В .Г. Бондарь

Официальные оппоненты - доктор технических наук,

профессор Ю.Г. Лапшин;

кандидат технических наук, В:А.Зашмарин

Ведущее предприятие - Домостроительный комбинат -160, г. Королев Московской области.

Защита диссертации состоится У,." 1998 года в (... часов

га заседании специализированного совета Д 053.31.01 Московского государственного университета леса.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГУЛ по адресу: г. Мытищи-1, Московской области, МГУЛ.

Автореферат разослан" 998 года.

Ученый секретарь специализированного совета - доктор технических наук, профессор Ю.П.Семенов.

Подп. впеч. Ю-2 -5^ Объем 1 п. л. Зак. 5Ц Тир. 100 Типографии Московского государственного университета леса

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Оценку и прогнозирование надежности фрезерных суппортов осуществляют расчетно - аналитическими методами, стендовыми ускоренными испытаниями ( СУИ) и методами эксплуатационных наблюдений. Однако каждый из них в отдельности не позволяет оценить качество и надежность суппортов до начала серийного производства на этапах проектирования и отработки опытных образцов.

Расчетно - аналитические методы не обеспечивают достаточную точность оценки и прогнозирования надежности механизмов. СУИ дают информацию о новых суппортах и позволяют судить о их надежности только уже на стадии создания опытных образцов, однако для разработки режимов и программ СУИ предварительно необходимо осуществить эксплуатационные наблюдения по сбору данных о режимах и условиях работы фрезерного суппорта. Сами эксплуатационные наблюдения связаны с организационными трудностями и требуют продолжительного времени.

Осуществить оценку и прогнозирование надежности фрезерного суппорта на этапах проектирования и отработки опытного образца возможно только комплексным расчетно - экспериментальным методом, сочетающим прогнозирование надежности различных конструктивных вариантов суппортов на этапе проектирования с помощью математических моделей и СУИ лучших вариантов опытных образцов на базе эксплуатационных наблюдений за работой их надежных аналогов.

Цель работы. Разработка комплексного расчетно - экспериментального метода оценки и прогнозирования надежности фрезерного суппорта на этапах проектирования и отработки опытного образца.

Методы исследования. В работе использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Теоретические исследования позволили разработать математические модели динамики упругой системы и прогнозирования надежности фрезерного суппорта деревообрабатывающего станка.

Экспериментальные исследования по определению и контролю степени соответствия численных значений показателей надежности фрезерного суппорта установленным нормам, сравнительные испытания на надежность различных конструктивных вариантов по выявлению закономерностей изменения показателей технического состояния механизмов ( технологической и геометрической точности, жесткости, уровня вибраций ) были выполнены на экспериментальной установке, разработанной на кафедре станков и инструментов МГУЛ. Проверка полученных результатов осуществлялась в экспериментальном цехе Ставропольского станкостроительного акционерного общества “Красный металлист“, экспериментальные исследования по изучению закономерностей износовых процессов в направляющих скольжения фрезерного суппорта были проведены на машине трения ТОР - 4 (на кафедре станков и инструментов МГУЛ).

Научная новизна заключена в разработке:

математической модели динамики упругой системы фрезерного суппорта;

математической модели прогнозирования надежности фрезерного суппорта;

расчетно - экспериментального метода оценки и прогнозирования надежности фрезерного суппорта на этапах проектирования и отработки опытного образца.

Практическая ценность. Разработана конструкция фрезерного суппорта. Исследован и предложен к использованию в направляющих скольжения деревообрабатывающих станков многослойный композиционный материал на основе углеволокнита ЭПАН.

Реализация работы. Результаты эксплуатационных наблюдений и исследований показателей начального качества фрезерного суппорта и механизма подачи фрезерного станка использованы Ставропольским станкостроительным акционерным обществом “ Красный металлист “ при разработке автоматической линии обработки оконных створок по наружному контуру ОК511-3 .

Адробация работы. Основное содержание работы и результаты исследований докладывались в ЦНИИМОДе в 1990 году и на научно -технических конференциях МЛТИв 1986 - 1995 г.г.

Публикация работы. По материалам диссертации имеются тринадцать печатных работ и три патента на изобретения.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов и рекомендаций, списка основной использованной литературы и приложений. Работа содержит 182 страницы машинописного текста, иллюстрирована рисунками на 37 страницах, имеет 20 таблиц на 22 страницах и 3 приложения на 12 страницах. Список использованной литературы включает 72 наименования.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дается обоснование актуальности темы и краткий анализ состояния вопроса.

Первая глава содержит анализ литературных источников по основным направлениям исследования, связанным с оценкой и прогнозированием надежности фрезерного суппорта деревообрабатывающего станка на этапах проектирования и отработки опытного образца.

Результатом такого анализа является установление необходимости разработки таких методов расчета механизмов, которые дают возможность оценить их надежность до начала серийного производства, что позволяет внести соответствующие изменения в конструкцию.

Улучшение качества фрезерных суппортов в значительной степени зависит от решения задач по определению уровня и контроля соответствия численных значений показателей надежности установленным нормам с последующей разработкой и проверкой в производственных условиях эффективности предлагаемых мероприятий по повышению надежности.

Известно несколько основных способов получения информации о надежности машин: прогнозирование надежности оборудования на этапе проектирования расчетно- аналитическими методами; определение показателей надежности машин методами стендовых ускоренных испытаний на этапе создания опытных образцов; определение уровня надежности машин методами эксплуатационных наблюдений на этапе их серийного выпуска.

Предлагается объединить их в единый комплексный расчетно -экспериментальный метод, сочетающий прогнозирование надежности различных конструктивных вариантов на этапе проектирования с помощью математических

моделей и стендовые ускоренные испытания лучших вариантов на базе эксплуатационных наблюдений за работой их аналогов.

При обработке столярных изделий, в частности в производстве оконных блоков, высока роль фрезерных суппортов. Это необходимо учитывать при проектировании и отработке опытных образцов деревообрабатывающих станков, оснащенных фрезерными суппортами. А к ним можно отнести большую группу деревообрабатывающего оборудования - станки фрезерные, форматные, копировальные, четырехсторонние продольно-фрезерные, многооперационные, обрабатывающие центры, автоматические линии и так далее.

Часть фрезерного суппорта, являющаяся валом - держателем режущего инструмента, называется рабочим валом или шпинделем.

Точность вращения, виброустойчивость, жесткость шпиндельного узла в значительной степени определяют качественные характеристики обработки на станке: технологическую точность, шероховатость обработанных поверхностей, стабильность технологического процесса.

Т иповые схемы фрезерных шпиндельных узлов деревообрабатывающих станков представлены в таблице 1.

Наиболее распространенной является схема, по которой в передней опоре используются сдвоенный радиально-упорный подшипник, а в задней -радиально-упорный или радиальный (схемы NN 4-8). Это подшипники серии 36200, чаще всего установленные по два в опоре (дуплекс). В зависимости от схемы монтажа дуплексированных подшипников различают О, X и Т-схемы, позволяющие в конкретных условиях обеспечить допускаемую нагрузку на опору, увеличить жесткость шпиндельного узла, избежать заметного влияния вибраций, связанных с переменной жесткость подшипников при вращении. Кроме того, точность вращения шпинделя в опоре из двух подшипников качения обычно выше, чем в опоре из одного. По Т-схеме выполнены шпиндельные узлы NN 4, 5, 6 и 8, Х-схеме - К 7, шпиндельный узел N 10 объединяет Т и О-схемы. Дуплексированные подшипники обычно применяются в опорах быстроходных валов, воспринимающих нагрузки на консоли. Так как они позволяют создать предварительный натяг и обеспечить равномерное распределение усилий между подшипниками. Предварительный натяг можно создать также простановкой

' Таблица I.

Типовые схемы фрезерных шпиндельных узлов • '

Тип

СТАЙКА

ФА

С 26-2

Ф ~4

С26-2 м С25

фС

(фЛ,фт)

/ фс'< , (ФЛ-1,ФТЛ

УШСР

С46-<

ГНЧ7

&иЬИс1ь

ФРГ

РРА-20

МЛи*к"<2

ФРГ*

СА6-4У

; М схемы ШЧ

■ 2

8

■10

Схема

ШУ

(О

1о[о|

1о о]

СО

СЕ

I

со

ю О!

ю СУ

I I

Iо о! 1Р су

О

о!

I

1

¡=3

(О

1Р с*)

!Р 0J

ПЗ

■

Го л».

19 01

(о о!

СО

СО

ю о} 1Р О]

ПО

с=а

№ 0»

1Р 01

\о от-

ю <31

. го О?

Мощность

ррибс>АА,ког

5,5

18.. .5.5

М..Л6

4,0... 55

5,5

' 5,5

5,5

АО^шхп кик; и ОПОР

5-2 И 5-24-1

6-309

6-ЗоЭ

5-56211

6-36203

5-4362»

+

6-2и

5-лвги " +

-56203

5-Л1&2П

■ + ■ -362<?5

5-2,62.09*2

6-207

Дцн 625^2 И.инб25>2

6009* 5 65 од

шивьш

4- •

3624Г*2

цастота ¡зращвиаР, ИШ1

6000

5000

6000

5000,

6000

3500...

42000

¿500...

42000

6150

.6000

6000

5000,

6000

Точить о^ра-6отки1 ЗГ

12..Л4.

л...и

43...-16

н..и

1Ъ..А5

\2..А5

12..А5

¡2.А5

Смазка

ниЗустр.

12

цидгим

203,

ИНЭ^сгр.

\г

ЦКАТИм 20

И Ц с) [¡стр. \2

в/ш-на

228 (502}

М-\02.

ВЬШ

ВНИИ -НП ,223

Тип приНоЭио-го ремня

ПЛОСКЦИ

КАШО&ОЦ

плоским

КЛИНОСОН

1М0СКИИ

плоский

кто&ои

плоении

ПЛОСКИМ

КАИНОШ

между подшипниками втулок неравномерной длины (схемы NN 7, 8 и 10), либо тарировочными пружинами (схемы NN 3-6 и 9).

В результате анализа литературных источников была сформулирована цель работы и поставлены основные задачи, включающие разработку:

комплексного расчетно - экспериментального метода оценки и прогнозирования надежности фрезерного суппорта деревообрабатывающего станка на этапах проектирования и отработки опытного образца;

математической модели динамики упругой системы фрезерного суппорта деревообрабатывающего станка с целью исследования динамических характеристик и расчета уровня реакций в подвижных сопряжениях данного механизма;

математической модели прогнозирования надежности фрезерного суппорта. Кроме этого, необходимо было разработать методику и экспериментальную установку для проведения исследования и дать рекомендации по повышению надежности фрезерного суппорта деревообрабатывающего станка.

А также установить физическую сущность и закономерности процессов изнашивания в направляющих фрезерного суппорта.

Вторая глава включает теоретические основы метода оценки и прогнозирования надежности фрезерного суппорта деревообрабатывающего станка на этапах проектирования и отработки опытного образца.

На первом этапе проектирования проводилась сравнительная оценка уровня конструкций ( Рис. 1). Для обеспечения объективности сравнительной оценки уровня конструкций выполняются эксплуатационные наблюдения за работой базовой конструкции, а также ее стендовые динамические испытания. По результатам эксплуатационных наблюдений и динамических испытаний базовой конструкции разрабатываются несколько конструктивных вариантов фрезерного суппорта и проводятся их расчеты, такие как расчет жесткости шпинделя и рсчет контактных давлений в направляющих.

Для выбора лучшего конструктивного варианта фрезерного суппорта разработана механическая ( Рис. 2 ) и математическая модели динамики упругой системы фрезерного суппорта:

Расчетно-эксперименгпальный метол отработки конструкции ---------------*

Эксплуатацион ные ^аб/иодения:

I. Режимы, усло&и« и АнменадБность зксплу-ют&ции.

?.Данные по функции“ ильным и параметри-^ескш'о отказам.

5. Рекомендации по со-^ершэстеованию конструкции.

*. Контроль изменение сказателей техничес-<ого состояния.

Испытания на износ.

’

Закономерности лзнашйания.

Замеры юказагоеле& качества. начального

а/п&пы проектирование: КОсноььание для разработки иоьсяЧ конскрук-ции.

2.Назначение и область применения ноьсй конструкции.

3.Обзор существующих образцов конструкций.

4.Сравнительная оценка уровня конструкций.

5.Техническая характеристика конструкции.

6.Чертежи и схемы.

Динамические стендовые испытания вазовой конструкции:

1.Уровень внешних ьоз-Мущений.

2.Динамические параметры .

Разработок а вариантов конструкции.

Расчеты на прочность, статическуо жесткость, контактные нагрузки.

Т

Разработка динамических моделей упругой системы

<1-&х, 1 ,т,С,Ь, Усых).

Расчет параметрической надежности вариантов конструкции. Вь!аОр и иЗГСЭГГОБ/^ение лучшей конструкции.

-------------г ~~

эксперигоент по исследованию влияния т и С на Уе-ых, Еэьк£ор и расчет вариантов конструкции.

□пыглньй образец консгпрцкиии.

Разработка СУИ на надежность, режимы С/И, программа СУИ. НИУ.

_ Динамические испытаний!

а,Ь,т,С,Уьых.

Доработка

конапрукции.

.Динамические расчеты.

I

Проведении СУИ.

Е

Проверка соответствия показателей технического уровня конапрукции установленным нортам и ТУ.

Рис. ’ 1. Структура расчиина-эксгеричвкталы-юго тнптада отработки конструкции Фрезерного суппорта на этапах проектирования и создании опытного серазца.

Механическая модель упругой системы "суппорт-шпиндель”

Рис.2.

И

Щ ■ ^Т+(С)2 + С34)-Х, - (С12 +С34)- Х2 + (С]2 -6, -С34 -Ь2)-Х3 --(С12 • 6,3 - с34 • 623) • х4 = рн' + ^(0+Рг (0

т2 ■ Х;'-(С,2 + С„) ■ X, + (С12 + С34 + С, + С8 • Л«2я + с, • Ал2Л) • -

-(С!2 А ~ С34 • ¿2) • X, + (Сп ■ Ьп - С34 • ¿23 - С, • 65 + С, ■ Ь6 ■ $п а +

+Ср ■Ь-'-БіпЩ'Х« =0

/, • Х3"+ (С„ • А, - С34 • ) • X, - (С12 • А, - С34 ■ Ь2) ■ Х2 + (С„ • І,2 + С34 • 622) ■ *3 --(С,2 ■ • ьп + С34 ■ 62 • ¿23) • ^ = Рв’ + [^(0 + рг (о] • к

12' Хї~ (С12 -Ьп -С34 -Ьгь)- X, + (С12 • Ь|3 - С34 -623 ~С7 -Ь5 +

+Сг-Ъ6-5іп а + Сд-Ъ7 ■ Біп Ъ)■ Хг - (С12 • Ъх ■ Ьп + С34 ■ Ьг ■ Ьп) ■ Хъ

+(С12 • ъп2 + С34 ■ ¿232 + С56 • Ъ2 + С7 • Ъ,2 + С8 • V + С9. Ъ2) • х< = о

В математической модели динамики упругой системы фрезерного суппорта

воздействие внешних нагрузок включает в себя проекцию силы натяжения ремня

і

на плоскость перпендикулярную направлению подачи суппорта Рн, центробежную силу от дисбаланса фрезы Р(1) и составляющую силы резания нормальную к направлению подачи суппорта Ру(0.

Проекция силы натяжения ремня на плоскость перпендикулярную направлению подачи суппорта определяется следующим образом:

I

Рн = Рн Біп

где:

угол наклона силы натяжения ремня Рн к плоскости перпендикулярной направлению подачи суппорта, град.

Центробежная сила от дисбаланса фрезы изменяется по гармоническому закону и определяется по формуле:

У

-8 г

F(í) = 1,110 En Sin(o>t +<p)

где:

E - неуравновешенность фрезы, г мм; п - частота вращения, об/мин; чо - угловая частота вращения, сек”1 ; t - время, сек;

. - начальная фаза, град.

На дуге контакта резца фрезы с древесиной действуют переменные касательная Fo и нормальная Fr силы резания (Рис. 3 ), которые оказывают влияние на упругие перемещения фрезерного суппорта. При проецировании сил Fov.Fr на оси координат х и у они раскладываются на силу Fx, совпадающую с направлением подачи суппорта, и силу Fy, нормальную к направлению подачи:

Fx = Fo + Frx Fy = Foy ~ Fry

где;

Fox и Frx - проекции сил Fo и Fr на ось х;

Foy и Fry - проекции сил Fo и Fr на ось у.

Силу Fx необходимо учитывать при расчете тяговых характеристик механизма подачи фрезерного суппорта. Сила Fy в большей степени влияет на вибрацию суппорта при движении по направляющим. Зависимость сишыРу от угла поворота фрезы представлена на рис. 4. Данная кривая с достаточной степенью точности может быть аппроксимирована следующим уравнением:

Ру(0 = aj(t) + bf(t)7+ cf(t) + df(t)

где:

f(t) = ((t/e - int (i/e)) e + g + ! (i/e - int (t/e)) e-g !) /2

a, b, c, d, e, g- постоянные коэффициенты.

Рис. 3. Схема сил, действующих на резец при фрезеровании древесины.

Рис. 4. Зависимость составляющей силы резания нормальной к направлению подачи от угла поворота.

Модель динамики используется при расчете амплитуд виброперемещений и динамических нагрузок в подвижных сопряжениях суппорта. При составлении модели учитывались результаты динамических стендовых испытаний базовой конструкции.

Модель динамики упругой системы фрезерного суппорта реализуется при расчете на ЭВМ различных конструктивных вариантов суппортов, отличающихся массами элементов т, жесткостью подвижных стыков Си геометрическими размерами Ь, с целью выбора лучшего из них с точки зрения выходных параметров амплитуды А и частоты колебаний/(Рис. 5 ).

Результаты расчета модели динамики в виде параметров колебаний в подвижных соединениях А подставляются в регрессионную модель прогнозирования надежности фрезерного суппорта:

X = а А + Ь Г +■ сАТ+с!

где:

X - отклонение от прямолинейности обработанной поверхности;

А - амплитуда колебаний фрезерного суппорта;

Т ~ время;

а с, с1- коэффициенты уравнения регрессии.

В основу модели прогнозирования надежности фрезерного суппорта положен расчет отклонения от прямолинейности обработанной поверхности заготовки в зависимости от уровня вибропереиещений суппорта и времени. За параметрический отказ принят выход за предельное значение (допуск) отклонения от прямолинейности обработанной поверхности заготовки:

X « [X].

В третьей главе представлена методика экспериментальных исследований, при проведении которых решались задачи определения численных значений показателей надежности фрезерного суппорта деревообрабатывающего станка,

Рис. 5. Структурная схема модели динамики упругой системы фрезерного

суппорта.

получения исходной информации для реализации разработанных математических моделей и проверки адекватности последних.

Для решения этих задач был применен комбинированный метод экспериментального исследования, состоящий из эксплуатационных наблюдений и стендовых ускоренных испытаний. В процессе проведения эксплуатационных наблюдений было выявлено 78 режимов работы линии обработки оконных створок на деревообрабатывающих предприятиях. После систематизации и анализа эти режимы были сведены к 18 базовым ( Табл. 2 ), которые были воспроизведены при проведении стендовых ускоренных испытаний фрезерного суппорта.

На стенде была выполнена обработка заготовок на 2, 4, 5, 8, 11, 13, 15 и 18 режимах, характеризующихся различием в площади срезаемого слоя 5 и скорости подачи ¥$, При обработке резанием выполнены замеры амплитуд виброперемещений фрезерного суппорта. Результаты замеров позволили сделать вывод об одинаковом уровне виброперемещений на 2, 4, 5 и 8 режимах, а также на 15 и 18 режимах. В результате группирования, и, учитывая малый процент загрузки на некоторых режимах, получен обобщенный цикл испытаний фрезерного суппорта на шести режимах нагружения ( Табл. 3 ).

По результатам эксплуатационных наблюдений среднее время работы фрезерного суппорта, в частности, линии обработки оконных створок составляет 27 минут и 2 секунды при средней продолжительности простоя 14 минут и 40 секунд. С целью сокращения продолжительности испытаний время простоя сокращается до 60 секунд. Таким образом, время работы стенда для проведения ускоренных испытаний фрезерного суппорта составляет 1700 секунд при цикле нагружения 1640 секунд. Цикл нагружения и работы стенда на одном режиме испытаний представлен в таблице 4.

Исследования на экспериментальном стенде позволили оценить соответствие численных значений показателей надежности суппорта установленным нормам. Выявились закономерности изменения показателей технического состояния ( технологической и геометрической точности, жесткости, уровня вибраций) во времени. Тем самым оценивались фактические ресурсы основных узлов, элементов и деталей определяющих надежность суппорта.

Основные режимы эксплуатации линии обработки оконных створок

Таблица 2.-

Номер режима ! 1 ! 2 ! 3 ! 4 ! 5 ! 6 ! 7 ! 8 ! 9 ! 10 ! 11 ! 12 ! 13 ! 14 ! 15 ! 16 ! 17 ! 18

Площадь срезаемого слоя 51, кв.’мм. 233 ! ! ! 336 ! ! 614 ! 994

Скорость подачи «5, М./ МИН. ! 12 ! 15 ! | ! ! 12 ! ¡5 ! ! 10 ! ! 6 ! 10 ! 12

Длина заготовки, мм. ! ! ! ! ! ! ! ! 666 ! 1385 ! 370 ! 1385 ! 666 ! 370 ! 666 ! 1385 ! I 370! I | 810 ! 1110! 370 I | ! 810! 8)0 ! ! ! 13 ПО ! 1695 ! 666 ! ! 1385

Использование !!!!!!!!!!!!!!!!! !

режимов в % ! 6,83 ! 12,34! 3,16 ! 3,44 ! 7,27 ! 4,02! 8,68 ! 4,49 ! 2,28 ! 3,24 ! 5,52 ! 2,77 ! 4,43 ! 5,39 ! 7,25 ! 4,75 ! 9,77 ! 3,26

Таблица 3.

Обобщенные режимы ускоренных испытаний на надежность фрезерного суппорта________________________

Номер режима ! 1 ! 2 ! 3 ! 4 ! 5 ! 6

Скорость подачи К?, м./ мин. ! 12

Площадь срезаемого слоя 5, ! кв. мм. ! 300 ! ! 900

Длина заготовки, мм. ! 370 ! 666 ! 1385 ! 810 ! 1110 ! 1695

Использование режимов в % ! 12,41 ! 22,97 ! 27,31 ! 23,02 ! 12,95 ! 4,94

Цикл нагружения и работы стенда

Таблица 4.

меха- низм« состоя- щее. меха- назма 1 о V- 1 чо ч- 1 о СМ 1 1о см 1 "V- гм 'с> м 1 ч> СМ ю » п 1 • & 1 о Т\1 ! 04 1 ч> гм & чо 1 V* і 5£ -чг* ч * • • 1 V 4» N0 1 >1 $ К к: V і

го Оч I X * Й X со <1> <у ^ о. вкл.

Вы К Л.

X 5 ^ X: а* « ■х. съ <у о Т С 8кл, р. X. X. X, р. X. X. X. Я X. X. X, Р. X. х.х.

Викп.

> з: Вкл. ■ • « 0 . , , ,

Викп

■

■ ■ 4—и,и.кл — І64-0с. -«б 1 Ч*~ 60с. —« >-1 ГУ и 2-цикл —^

Для увеличения ресурса безотказной работы направляющих фрезерного суппорта были проведены на машине трения ТОР - 4 экспериментальные исследования по выявлению износостойкости различных материалов пар трения с физическим моделированием условий и режимов работы суппорта.

Моделирование заключается в замене реверсивно - поступательного движения накладок фрезерного суппорта при их скольжении по прямолинейным направляющим на реверсивное вращательное движение цилиндрического образца, моделирующего направляющую, взаимодействующего с образцом, моделирующим накладку суппорта. При этом воспроизводится динамический характер нагрузок и виброперемещений по контактной площадке.

Исследования проведены в три этапа. На первом этапе рассмотрены четыре варианта пар трения, на втором - две наиболее альтернативные пары, а на заключительном этапе было установлено влияние вибрационных и динамических нагрузок на скорость износа выбранной пары.

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований.

По результатам испытаний фрезерного суппорта сформулированы основные рекомендации по совершенствованию его конструкции. В число рекомендаций входят:

максимальное приближение верхней направляющей механизма подачи к зоне резания;

уменьшение частоты вращения инструмента с 6000 об/мин до 4500 - 5000 об/мин с целью снижения уровня шума, динамических нагрузок и виброперемещений;

замена электрошпинделя механизма резания на фрезерный шпиндельный узел с приводом от электродвигателя через поликлиновую ременную передачу;

повышение жесткости верхней опоры шпиндельного узла путем установки двух или трех радиально - упорных подшипников с предварительным натягом, максимально приблизить центр жесткости верхней опоры к равнодействующей сил резания;

замена направляющих скольжения на направляющие качения с силовым замыканием суппорта на верхней направляющей.

Эти рекомендации использовались при разработке предлагаемой конструкции фрезерного суппорта.

Из уравнения частот механической системы фрезерного суппорта предлагаемой конструкции, получен коэффициент динамичности, равный 3,45 и далеко выходящий за границы диапазона 0,7 -1,3. Это дает основание считать предлагаемый вариант фрезерного суппорта устойчивой механической системой.

Результаты расчетов на ЭВМ по сравнению базовой и предлагаемой моделей фрезерного суппорта показали, что составляющие контактной жесткости опор шпинделя возросли с 23000 кН/м до 161000 кН/м и суппорта с 12500 кН/м до 72500 кН/м, при этом амплитуда колебаний шпинделя и суппорта уменьшились в два раза.

Сравнительная оценка параметров начального качества суппортов базовой и предлагаемой конструкций ( Табл. 5 ) показал, что замена электрошпинделя на шпиндельный узел повышает статическую жесткость шпинделя с 7071 Н/мм до 32200 Н/мм, а суппорта с 2062 Н/мм до 6000 Н/мм, уменьшает радиальное биение шпинделя на 0,01 мм.

Это, в свою очередь, снижает уровень вибраций в механизмах резания и подачи станка, повышает технологическую точность станка, уменьшает отклонение от прямолинейности обработанных поверхностей брусков в наклонной и горизонтальной плоскостях соответственно с 1,129мм/1000мм до 0,2мм/Ю00мм и с 2мм/1000мм до 0,3мм/1000мм.

Более того, уменьшение частоты вращения фрезерного инструмента до 5000об/мин приводит к снижению уровень шума на 10 дБ.

В результате расчета коэффициентов уравнения регрессии математическая модель прогнозирования надежности фрезерного суппорта принимает вид:

X = 0,097А + 0,0007Т - 0,00008АТ - 0,72

Выполненный объем работ в соответствии с поставленными задачами исследования позволил проводить оценку и прогнозирование надежности отдельных элементов деревообрабатывающего оборудования, в данном случае фрезерного суппорта, компьютерными расчетными методами на этапе проектирования с учетом информации, полученной при проведении стендовых ускоренных испытаний.

Таблица 5.

Результаты сравнительньи испытаний конструктивных вариантов фрезерных суппортов по оценке показателей начального качества.

Измеряемый параметр Един. вдм. Базовая Новая модель Допуск модель

1 2 3 4 5

1 .Г еометрическая точность: 1. 1 .Радиальное биение шпинделя в трех сечениях на расстоянии: ю, мм 0,01 0,01

90 и мм 0,02 0,01 0,05

¡60 мм от буртика мм 0,04 0,03

1.2.Отклонение от плоскости рабочей поверхности стола (выпуклость не допускается) мм/1000мм -0,06 0,05 0,15

2.Те;шолоптческая точность: 2.1,Отклонение от прямолинейности обработанных пов-тей: а)наклонной мм/ЮООмм (выпуклость) 1,129 0,20 0.40

б)горизонтальной ммАОООмм 2,0 0,30 1,0

3 .Статическая жесткость: 3.1.Шпинделя Н/мм 7071 32200

3.2.Суппорта Н/мм 2062 бооо : 3200

4.Динамичесхая характеристика: 4.1,Амплитуда колебаний шшнде.тя: а/ без резания заготовок мкм 58 28

б/ с резанием заготовок мкм 39 23

4.2.Амплитуда колебаний С}Плорта: а/ без резания заготовок мкм 30,5 8,9

б/ с резанием заготовок мкм 27,5 9,0

5.Уровень шума: а/ без резания заготовок Дб 88-90 84-86

б/ с резанием заготовок Дб 96-98 92-94 85

б.Усилие на подачу суппорта: 6.1 .Для направляющих скольжения Н 500-800 .

6.2. Для напрвляющих качения н - 30-50

7,Параметры гиаромотора механизма подачи: 7. ¡.Мощность КВт 6,8 1,5

7.2.Номинальньш расход масла л/мин 76,8 19,2

7.3.Уровень шума Дб 72 62

7.4.Масса кг 20 10,5

Программа расчета на ЭВМ позволяет учитывать информацию на любой стадии проектирования и изготовления фрезерного суппорта. Преимущество компьютерных расчетов на основе моделей динамики упругой системы и прогнозирования надежности фрезерного суппорта заключается в экономии времени на само проектирование, а также на этапе отработки рациональной конструкции суппорта.

ВЫВОДЫ И РЕКОМЕНДАЦИИ

1 .Предложен и проверен комплексный расчетно - экспериментальный метод оценки и прогнозирования надежности фрезерного суппорта деревообрабатывающего станка на этапах проектирования и отработки опытного образца, позволяющий за более короткое время разработать надежную конструкцию.

2.Основу расчетно - экспериментального метода составляют математические модели, адекватность которых подтверждается стендовыми ускоренными испытаниями.

3.Оценка и прогнозирование надежности фрезерного суппорта деревообрабатывающего станка на этапах проектирования и отработки опытного образца дается на основании изучения взаимосвязи вибрационных и износовых процессов.

4.Разработана математическая модель прогнозирования надежности фрезерного суппорта, позволяющая рассчитать время выхода за нормы технологической точности и определить момент возникновения параметрического отказа.

5.Разработана математическая модель динамики упругой системы фрезерного суппорта, позволяющая определить динамические параметры

суппорта в зависимости от характера входных сигналов и с учетом массы, момента инерции и составляющих контактной жесткости конструкции.

6.Входными параметрами модели прогнозирования надежности являются виброперемещения, полученные при расчете модели динамики упругой системы фрезерного суппорта.

7.Установлено, что влияние износа направляющих фрезерного суппорта проявляется косвенно через появление зазоров в стыках, в результате чего снижается контактная жесткость опор с ухудшением динамических характеристик упругой системы суппорта.

8.Выявлена необходимость изменения компоновки конструкции шпинделя фрезерного суппорта, заключающаяся в приближении центра жесткости верхней опоры к равнодействующей сил резания с установкой в опоре двух радиально -упорных подшипников.

^.Проверка в заводских условиях предлагаемой конструкции фрезерного суппорта показала его высокую надежность (более 700 часов наработки).

10.Сравнительные испытания четырех различных пар трения в направляющих суппорта показали, что наиболее работоспособной является пара трения" Углеволокнит ЭПАН —Сталь40Х “.

11 .Экспериментально установлена регрессионная зависимость, позволяющая рассчитать скорость изнашивания в паре трения “ Углеволокнит ЭПАН - Стапь40Х .

12.3аводские испытания предлагаемой конструкции фрезерного суппорта подтвердили ее высокую надежность и перспективность применения в различных деревообрабатывающих станках.

Основное содержание диссертации отражено в следующих работах:

1 .Исследования взаимовлияния износа инструмента и узлов трения станка.

/в соавторсве с Чувашевым А.П. /В сб. научн. тр. МЛТИ: Автоматизация и комплексная механизация процессов деревообработки. Вып. 186,- М.: 1986,- с.43-46.

2.Исследование влияния износа направляющих скольжения механизма подачи суппортов на их выходные параметры. / в соавторстве с Бондарем В.Г. / В сб. научн. тр. МЛТИ: Процессы резания, оборудование и автоматизация процессов деревообработки. Вып. 191,-М.:1987.'с.22-25.

3 .Прогнозирование трансформации геометрических параметров направляющих скольжения машин с применением ЭВМ. В сб. научн. тр. МЛТИ: Механизация лесозаготовок. Вып. 189.-М.: 1987 - с. 106-110.

4. Основные режимы эксплуатации линии ОК 511 и стенд для проведения ускоренных испытаний ее узлов. В сб. научн. тр. МЛТИ: Автоматизация и комплексная механизация процессов деревообработки. Вып. 202,- М.: 1988,-с.15-19

5.Исследование динамических параметров фрезерных суппортов линии обработки оконных створок по наружному контуру. В сб. научн. тр. МЛТИ: Процессы резания, оборудование и автоматизация в деревообработке. Вып. 213,-М.:1989,- с.47-51.

6.Исследование модернизированной конструкции суппорта обработки оконных створок. В сб. научн. тр. МЛТИ: Автоматизация и комплексная механизация процессов деревообработки. Вып. 228,- М.:1990,- с.54-58.

7.0 выборе материала пар трения направляющих скольжения суппортов деревообрабатывающих машин. В сб. научн. тр. ЦНИИМОД: Надежность и эксплуатация лесопильно-деревообрабатывающего оборудования.

Архангельск: 1990,- с. 129-133.

8,Использование углеволокнита ЭПАН в конструкциях направляющих скольжения машин. В сб. научн. тр. МЛТИ: Технология заготовок и транспорт леса. Вып. 200,- М.: 1988,- с. 109-112.

9.Оценка и прогнозирование надежности деревообрабатывающего станка на этапах проектирования и отработки опытного образца. В сб. научн. тр. МЛТИ: Процессы резания, оборудование и автоматизация в деревообработке. Вып. 236,-М.:1991,- с.47-50.

Ю.Результаты стендовых ускоренных испытаний на надежность фрезерного суппорта. В сб. научн. тр. МЛТИ: Технология и оборудование деревообрабатывающих производств. Вып. 240,- М.:1992,- с.110-113.

11 .Расчетно - экспериментальный метод отработки конструкции фрезерного суппорта на этапах проектирования и отработки опытного образца. В сб. научн. тр. МГУЛ: Оборудование деревообрабатывающих производств. Вып. 263.-М.:1993,- с. 136-138.

12.Выбор сборных дереворежущих фрез и профилирование их ножей. / в соавторстве с Широковым В.В./ В сб. научн. тр. МГУЛ: Оборудование и автоматизация деревообработки. Вып. 281. - М,: 1995. - 111с.

13.Повышенная износостойкость угяеволокнита ЭПАН для деревообрабатывающих машин. В журнале: Деревообработка в мире, N 1, 1995 г.

14.Нагрузочное устройство для испытаний фрезерных станков. / в соавтостве с Бондарем В.Г., Воякиным A.C. / Патент Российской Федерации на изобретение N 2005007, МКИ В23С9/00.

15.Нагрузочное устройство для испытаний фрезерных станков. / в соавторстве с Бондарем В.Г., Воякиным A.C., Резвевским В.А. / Патент Российской Федерации на изобретение N 2005008, МКИ В23С9/00.

16.Шпиндельный узел деревообрабатывающего станка. / в соавторстве с Котиковым А.П. / Патент Российской Федереции на изобретение N 2045389, МКИВ27С 1/10.