автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение эксплуатационных характеристик передач винт-рейка качения для станков с ЧПУ

¡аз. -1. а.а

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ РСФСР ПО ДЕЛАМ НАТКИ И ВЫСШЕЙ ШКОЛЫ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ СТШОИНСТРШНТАЛЬШЙ ШСТИТУТ

ПОВШНИБ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ПЕРЕЩАЧ КШТ-РЕЙКА КАЧЕНИЯ Д2Я СТАНКОВ С ЧПУ

Споцадльность 05.03.01.- Пропзеси мэханвчэской а фязкко-

гэхзшчэской ос!работке, сталхи а даструыоят 05.02,02,- Иаяяяоведэнве а деталж малин.

АВТОРЕФЕРАТ

дяссэртацзя яа соискаяиэ ученой степени кандидата технически наук

На правах рукопкси

. «АСКНЕВ Ш> САГИТОВДЧ

Ш 621.9.06-629-6(043.3)

Москва 1991

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени станковнструшиталънок институте.

Научный руководитель: Офщиальнке оппоненты:

-доктор тепшчооыпс наук, профессор Беляев В.Г,

-Заслуженны® деятель каухи в техники РСФСР, доктор телшческих наук, профессор Пуш В.Э.

»«зшииш техлгчгсгавЕ паук КврЯЛ®>» В«К,

Ведущее предпршвд&

-НПО Моего рлаи.

Защита состоегся часов яа заседания спвцяализяровшшого совета К 063.42.05 в Московской о{дека Трудового Краевого ЗвашнЕ станкоинструшш-тальаок инсткгуте по адресу: 101472, ГСП» Москва, Вадковский пир.» д.3-й, тел. 23&-43-16. ^^

С диссерт&гдай можно оанакокгться в бЕблвотеке Московского стоккошструмаЕтаяьного института.

Адторзфзрат разослан

199

£г.

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

Поляков Ю.П.

■Щ.г стда,'Л' иге .га !

!. I. <

Отд-эл «Сврт,-!:^-.

. )

ОЕЩДЯ ХАРШЕРИСТШ РАБОТЫ

¿КИ0ШШИЖ-12ММ» Современное серийное производство но-даолимо без оборудования с ЧПУ» Его применяют для всех групп я типов ставков, Применение ЧПУ не только изменило характер органязадгш производства в металлореауида цехах, но л короншяз обравои яовлйлло на конструкцию самих станков« Изменялся яршз-вдп вострозтш тпоттичттх слога ш компановок»

Обита тробошная я аяемеятм кттттчвснзх ця)ей следуй щае| псялюпоииб сазоропс умэюызэяив упруги явфер^днлй,. Зазорн доляди бить асялзчгки » течеяяо всего сроха слугби стаам»,» поэте^ особенно езлдо прэдогвращонвэ язкаишаааия эяекошгоа кй« вематячасяих цепей-» Требования к аеегхосгя з оташшг о вшены в 2-5 раз по сравнений о ббдеводк ставши» Виполяеняв этих требований б наибольшей степени зависит от последнего язе-на кинематической цепи привода подачР

Получивши ¡¡игреков распространение в качество приводов ло-дач станков с '-ИГ/, передач?! винт-гайжа хачения ярд дольних длинах хода подвижного узла {свыше 3-5 метров) становятся неэффективным» по причине низкой осзвой кесткости ж сдокной технология заготовления винтов. В этих случаях, зз качестве исполнитель» них механизмов приводов подач применится зубчато-реечные» чер-вячпо-реачиые скольжения и гидростатические передачи.

В последнее время некоторыми инофирмами разработали и внедрены а 8танки новые шариковые передачи винт-рейка, обладающие в сравнении с зубчато-реечными передачами большой редукцией на конце кинематической цепи (шаг винта 10,20,, и 25 мм») » что по-вшает точность станков „ улучшает азе динамику. В отличии от гидростатических передач они не требуют системы гидростатической смазки» более прости в эксплуатации, обеспечивают меньшие температурные деформации станка.

Шариковые передачи винт-рейка обладают высоким КПД» безза-зорностыз соединения, высокой точностью и жесткостью,, независящими от длили перемещения, низким моментом инерции винта и низким расходом анэргии.

Однако* все существующие на насгоядее время передачи винт-рейса качения шею? слоуную и трудоемкую технологию кзготовле-

ния и сборки, а конструкции передач в целой требуют высокой точности монтажа на станке» что ограничивает ах применение.

Поэтому, дальнейшее совершенствование передач винт-рейка качения, поиски новых конструктивных и технологических решений по изготовлению и монтажу шариковой рейкир установление взаимосвязей между эксплуатационными характеристиками передач и ех конструктивными и технологическими параметрами являются актуальной научной задачей» решение которой будет способствовать повышению эксплуатационных характеристик приводов подач специализированных и тяжелых станков с ЧПУ для обработки длинномерных деталей«

Релью работц является повышение эксплуатационных характеристик передач винт-рейка качения, приводов подач станков с ЧПУ ' для обработка дишашшрш деталей, путем создания и исследова-вдя ii'oBoit аоиотщюш передачи» разработки конструташшх п технологических рсшйздашй по изготовлении а мотшяу шариковой рейки.

Цет&дн .ио&йй&шшй* Результате работы получена па основе ьздрётичееккх и тмершнташмх- исследована^ о вскользованием ЗШв ^одерш&н'пшдше кседедешшш пръшют т отток образ-ад несдачи 'впвт-реШ аачшш, иэготоаяенвоВ яа заводе ЭШЖ ^СтАМокьнструкцкя" в з\Маекве, Теоретические наследования производились с использованием оснсш проектирований станков, теории винтовых пар, йариковш ведашдаиков, теориж ущ>угоегй, основ ма-тематйЧеей&Т^ веадааа И численных методов „ ,нс>влзна работы заключается в:

-* едом.а силового ввмнкания винта я шараховой райки, не тре-¿yttstft применения в конструкции передачи радиальных опор впяга}

- завксшосгях между конструктивными параметрами и r-scmiya-■гадиояньш харахтернстикамп передачи 5

- олекке взаимосвязи работоспособней передача от вели-чипы утла радиального паза рейки;

- математических зависимостях по расчету величин накопленных ошибок шага резьбы рейкл на стыка* мегуау секциями.

Практическая ценность заботы в:

обосновании работоспособности передачи винт-рейка ка-ченяя с углом охвата рянта рейкой б©лее 180° и возможности ее использования в приводах подач отшжоз о ЧПУ;

- методике юкмнорного расчета параметра» передачи}

- методики расчета точности шариковой рейки;

" конатрукгивнш. и технологически« рекомендациях по изготовлению л монаху шариковой paüius.

Реализация работ. На базе проводаиша теоретических и экспериментальных исследований разработала передача виит-рэй-ка качения, удовлетворяющая требованиям, продгдвляе!Жм приводам подач станков с W для осуществления дданшк перемещений (свыше 3-5 метров) . Новизна конструкций заадкша авторскими свидетельствами, Результаты работн переданы и Ульянолское ГХЛШ тяжелых станков.

Апробация ряботн. Основнке научные положения работа докладывались и обсуждались на заседаниях каредрц "Основа конструирования машин" (1991г.) Мосстанкина, на встречах о руководителями и инженерно-техническими работниками " Завода шоокоточ-ных станков" г.Стерлитамака ílQBQr.) , "Рязанского станкостроительного объединения" г.Рязани (1990г.) , "Минского станкоза* вода ш.Октябрьско! революции" г,Минска (1990г.) ,

Публикации. По томе диссертации опубликованы 5 печатных

работ

Структура и объем работы» Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов я списка литературы» Работа язлокена па 103 страницах машинописного текста, содержит 51 рисунков и таблип, списка литература из 104 наименований,.

Содержание работн.

Во введении обосновывается актуальность работы, дается ее общая характеристика.

В первой глава ( приведен краткий обзор литературных источников,, характеризующие современной состояние вопроса. Дается анализ существующих передач винг-рейка качения» Отмечаются преимущества и недостатки, ограничивающие их применение.

Все применяемые в настоящее время конструкции передач имеют шариковую рейку с углом охвата винта рейкой менее 180°.. Для поддержания устойчивого контакта шариков в паре винт-рейка необходим поджим винта к рейке, который создается силовым замыканием корпуса винта и рейки через направляющие станка,, или через дополнительные опоры качения, выполненные на корпусе шариковой рейки. Существует конструкция передачи винт-рейка качения о уирутш закреплением корпуса винта и устройством для созда-

г-

яия предварительного натяга, компенсирующее погрезности положения узлов»

Непосредственно разработке передач В2ят~р.9£ка качения посвящены работы Чурина И.Н.е Саломативд В„§», Леттю ЗА* я Мнк~ лшанского В«3» За рубежом передачи рекдажруются рядом спецк-ализарованных фирм гакех как „ /,МЕ"(Фртаря} 9Л/е-ТтеТ "

(ФРГ) .РУАМА2АКГ№вия) * Л\ШГОИ/ '

(Испания) »

Однако, несмотря на провадедаш бвишш&ет--

вряае об актуальности прс^лвш (батотея с<щ$&гттиХ-:. недостатков, прасуащз. даикш вервйв-чш» Это йес0ходак>сть компенсирования усшшя рддашяого отздма слита от шариково! ро£-вследствие ьш№<ВШ~%1!Шя в указанных передачах классической саяю»о& вар6дач чврвяк-червячноа колесо, что услов-кявтр кокеяртадаэ к верепашюсть проблемы изготовления е ыоита-

Увашдаие проблещи могут быть решены только путем поаглса срашдашвдьно ковш подходов пра разработке указанного типа передач, в которые жшш быть гф|октсшо совмещены преимущества реечных передач с крещ^цестваш передач ВЕЕТ-гайна качэння. Основой такого ретанш мосаг слуаить передача винт-рейка качания с углом огват зиига рейкой болзе 180° а в которой винт уста-яоплэц свободно относитшю рейки в радиальном направлении.

Ксвструкщя передача приведена на рис.1 в где: 1-ройкаг 2-ЗйИ'г £ З-опор-д ввнта^ 4-Еарики& 5-щяток; 6-устро8отво для боз-зрачз. парккозг 7-устройсгво для создания предварительного на-тяхщ 8-кроншто£н ьлита? 5-стол станка^ 10-с хинина

В сбязж с отсутствием каша либо теоретических и эксдерк-юятадъшз; лссяедовакка работоспособности указанного типа передач в иасхоякей работе быая определены следунякие основные зада-VI нсслодсаанийг

1. На- основз теоретических исследований разработать методику расчета осевой кесткоета, грузоподае&аост: к долговечности передач винт-рейка качения с углом охват винта рейкой бо-лоэ 180°0

2» Провести,, расчетист путем, качественную оценку влияния шли® угла радиального паза рейки на эксплуатационные характеристики .рвреда'ш.

3. Разработать конструктивные и технологические рекомендации по изготовлению и монтажу шариковой рейки.

4. Спроектировать и изготовить опытный образец передачи шнт-рейка качения и на его основа провести экспериментальные исследования в целях проверки результатов теоретических исследований.

5. Провести сравнительный анализ основных эксплуатационных параметров винтореечных шариковых пар и передач винт-гайка каче-

Рис,1.

ния»

Вторая глава посвящена исследованию деформаций шариковой вянтореечной передачи.

Для изучения деформационных свойств была рассмотрена теоретическая модель в виде абсолютно жесткого винта, контактирующего посредством париков с рейкойе иклхцей сквозной радааль» ныЕ паз с углом 2^/6 (рисе1) » Вследствие неравенства количества рабочих шариков, находящихся по разные стороны от плоскости 2 ¿?ХУ » равновесие винта обеспечивается перераспределением нагрузок мевду шариками, находящимися вше и ним плоскости '2ОХ » что достигается смещением вкнта относительно рейки по оси У на величину .

В целях получения инженерных зависимостей систет нелинейных уравнений равновесия винта была района йналатЕчоск&! катодом, путем разложения в двойные ряди Тейлора. Были получены вы-р¡зхвтт для расчета осевого и радиального & У иерэмощоняЯ в передаче; нагруженной внешшй осевой силой Г к шиащеС еа-зор (натяг ) равной нули

Здесь С - коэффициент иропорцяональностг;/%

ТГа'о/с?* _ ; йго - ДЕй\:этр винта, в мм.; о1{ - диаметр за-рк'.а» в мм.| I число рабочих витков винта; - угол контакта;' Д - угол подъеш рсзьбв.

В цэлях оценки пределов применимости получ :ных формул исходите уравнения равновесия ресегш на ЭВМ методом Ныатона-Рафсона. Сравнение результатов аналитически» и численным методам;: показало справедливость полученных формул (1) и (2) (погрешность но более 20^) при углах радиального паза 2р рейки не ' более 100°.

мвтров шариковой резьбы эталонного винта.и шариковых гаек на их относительное осевое положение. Получены математический зависимости для расчета относительного положенп двух соседних шариковых гаек» секций рейки, установленных на единый эталонны! париковый винт.

Беззазорность соединения эталонный винт - шариковые гайки обеспечивается за счет пришивная париковой реэьбн, имеющая профиль "стрельчатая арка" с четирехточечнкм контакте?,? и подбора соответствуй го комплекта шариков.

Методика расчета точности шариковой рейка включает:

- определошю функций отклонепий правой я левой сторон прошлой резьбы эталонного винта и гаек;

~ рзечот полоаоний ралновзеил на эталонном вяято двух соседних иарпкошх гаек я величина накопленной ошибки тага i aiz шариковой резьбы рейки на ах сппсе;

- расчет совместного положения двух сеседнюс шариковых гаек на эталонном винте, занимаемое пия поело их относительного есового смещений,в целях компенсации накопленной ошибки тага резьбы па стыке;

- расчет положения равновесия па эталонном впито слодуга~ iToíi гайка л величины -£¿rn т.д.

Всо оасчэты по репенив уравнений точности выполняется на ЭЕ.!. Предложен болое простой, графический ?.тетод расчета точпсс-?! шариковой рейки. Согласно расчетам, погрешность графического

Рис.2.

метода в большинстве случаев не превышает 0,7 мкм.

Предложены технологические приемы и рекомендации по сборке. шариковой рейки. Корректирование накопленной погрешности шага резьбы рейки на стыках медцу секциями, в пределах блоков/А а Б , (гайки 1-2 и 3-4) предлагается производить введением поправки ±л£ , на толщину компенсаторных прокладок, • и между блоками (гайки 2-3 ) при помощи простого приспособления. Отмечено, что в целях упрощения процесса сборки целесообразно иметь эталонный винт со сжатой резьбой по шагу.

Проведено исследование влияния на точность.передачи конструктивной особенности париковой рейки, имеющей сквозной радиаль-. иий паз с утлом 2j3 . Соглаоно расчетам, в случаях, когда к передача предъявляются повшеннве требования к платности и точности перемещения, винт необходимо выполнять с целым количеством рабочих витков или принимать ¿ > 5 ,

р ляг ой главе содержатся результаты экспериментального исследования опытного образца передачи винт-рейка качения в целях проверки результатов теоретических исследований. Испытуемый образец имел следующие геометрические параметры: диаметр окружности, проходящей через центра шариков с/а =80 мм.; диаметры шариков C¡4 =6 mu i шаг Р -10 мм. 5 угол контакта =45°; угол охвата винта рейкой V* =310°; количество рабочих витков видтв i -5,Рейха состояли из двух шариковых гаек, корпуса и компенсаторной прокладки. Оборка рейки производилась при помощи шарикового винта, согласно рекомендациям,приведенным в главе 4.

Осевая жесткость передачи, полученная экспериментальным путем, при J3 «25° составляла 5зЪаН/мщ при fe ^ЗЗЯюЪУ/тм, при 35 даИ/мяМ.

Сравнение данных осевой жесткости передачи, полученных расчетным и экспериментальным путями подтвердили приешшыосгь предложенной методики расчета основных эксплуатационных параметров передач винт-рейка качения. Отклонения экспериментальных данных от расчетных не превышает 15Í.

Стыковка двух шариковых гаек, по предложенной методике,путем установки на единый шариковый винт позволила достигнуть высокой точности по шагу.

Результаты замеров радиальной деформации стенок шариковой рейка показали их овределяшее влияние на осевую податливость

передачи в целом (в пределах 30 - 35%), Поэтому, при проектировании передач винт-рейка качения с утлом охвата винта рейкой более 180°, важным является разработка мероприятий по повышению радиальной жесткости стенок шариковой рейкя, что может быть достигнуто созданием напряяенно-дофоршровяЕпгого состояния в корпусах рейки.

В шестой главе содержатся конструктивные схемы и рекомендации по проектированию и монтажу приводов подач станков с ЧПУ на баэе передач вшгт-рейка качения.

В зависимости от конструктивного исполнения станков предлагаются разные схемы приводов винта: при помощи промежуточного вала; косоэубоЗ цилиндрической и конической зубчатыми передачами.

Предложена конструкция устройства для монтаза и демонтажа передачи, служащего в качестве привода продольной подачи стола тяжелого метадлорв.'куцого станка. Приведены технологические прп-wh по монта-ку и дононт&иу привода.

ОЕ'НИЕ ЗЧВОДН И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Ка основании тооретических и экспериментальных исследований разработана новая париковая передача викт-ро&а g углШ охвата шита рейкой болао 100°, не тробукедя прехзнонан радиальных опор пинта, удовлетворяющая требования??, предъявляемым к приводом подач станков с ЧПУ для осуществления длинных перемэ-яеиий. Конструкция передачи защздзни авторским! свидетельствами.

2. Увеличение угла радиального паза рейки способствует сни-ясняю эксплуатационных параметров передачи. Установлено, что передача обеспечивает наиболее высокие и стабильные величины осевой зесткостя а грузоподъемности при углах не более 70°.

3. Разработала методика расчета осевой жесткости , грузоподъемности и долговечности передач вянт-рейта качения с углем охгята винта рейкой бслеэ 180°.Расльт параметров передач показал, что увеличение диаметра влита наиболее оправдало только о долях пошзеипя осевой жесткости я увеличения длили шлифования иаря-копых гаеп, а для повтаеняя долговечности передачи целесообрпз- , нее увеличение диаметра париков.

4. Сравнительный анализ основных эксплуатационных параметров передач винт-рейка качения показал, что разработанная передача со свободной радиальной установкой винта относительно рейкя (по сравнении с сущэствукптаи передачами винт-рейка) обеспечивает повышение статической грузоподъемности в 1,3 -- 1,7 раза,

дшаъшчоской груэоподъемвоете в 1,6-1,8 рааа к осевой жесткости в 1,2-1,6 рааа,

5. Сопоставление результатов вкспертдонта и расчета аест-кастй опытного образца передачи показало хорошей их совпадошв.

6. Конструкция шариковой, райки, в которой с веди а выполнена в виде шариковых гаек, имеющих сквозной радашшшй паз, позволяет -осуществлять ее сборку установкой секций на единый ¡эталонный винт» что существенно упрощает процзсо и обеспечивает высокую точность шага шариковой резьбы на стыках.

7. Предложенная методика расчета накоплопной погрешности шга резьбы на стыках секций шариковой рейки во время сборки,-технологические приемы и приспособления по ее компенсации, позволяют получить шариковую рейсу с ваданшаш гочностинмя характеристиками»

8в Исследование влияния иэсоосности осей винта я рейки на точность передачи показало, что в целях уменьшения циклических ошибок перемещения винта по рейке целесообразно иметь шариковый винт с целым числом рабочих витков (i =3,4,5...) .

9. Экспериментальными исследованиями установлено, что радиальная податливость стенок шариковой рейки иыеау определяющею влияние на осевую жесткость передачи, которая может быть повышена путем создания напряженно-деформированного состояния в корпусах рейки. „

' Основные ре^у.цгтатц работы отражен» в следующих публикациях:

1. Беляев В.Г., Фаскаев P.C. Винтовые приводы качения //Станки и инструмент, 1991.,№12.

2. Беляев В.Г., Фаскиев P.C. Расчет шариковой передачи винт-рейка //Станки и инструмент, 1992.,(в печати) .

3. Шариковая Виктораечная передача. Заявка №4656655/25-28/030216, Положительное решение Госкомиаобретений от 31.10.89.

(в соавторстве) .

4. Шариковая виятореечная передача,Заявка №4683455/25-28/060921.

Положительное решение Гоокомизобрегений от 28.05.90. (в соавторстве) .

5. Шариковая винтореечная передача.Заявка №4950270/54071/ • от 26.06.91. (в соавторстве) ,