автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Разработка и сравнительный анализ характеристик станочных узлов с применением полимербетона

ГОСУДАРСТВЕННЫ! КОМИТЕТ РС2СР ПО НАУКЕ Н ВЫСШЕЙ ШКОЛЕ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО 31ШЖНИ СТАНКОИНСТРУИЕНГАЛЬНЬЛ ИНСТИТУТ

На правах рукописи

УРБАНОВ ИГОРЬ ИСАКОВ«

РАЗРАБОТКА И СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ ХАРАКТЕРИСТИК СТАЛОЧ1Ш У'июв С ПРИМЕНЕНИЕМ ПОЛК>2РВЕТОНА

Специальность 05. 03. 01 - Процгсси мзхшшчэсксЛ и (^гзига-тэяиичэсгазП обработки, станки и ккструькнт

Автореферат

диссертации на оикскаяпэ учзкоЯ стопонп кандидата /вхнических наук

Работа выполнена в Шскоэскоы ордена Трудового Красного Знамени станкоинструментальном институте и в ордена Трудового Красного Знамени Экспериментальном научно-исследовательской институте мзталлоредущих станков (в лаборатории д. т. и., Кудииова ЕЛ.).

руКОБСЕиЯТеГ*

®с££ухг}хя£ паута

а ЮХР, док-гор

гопнических наук, про^ссор пуш а а

Сф»ц;:аш:ь2 оппононти

доктор технических нг1ук, профэссор Езляев Е Г.

кандидат тохшзчзских наук, доцэнт Рогов & Л.

Еэдусзв прздприятке

1£юковсков СТО "Красный пролетарий" ка. А. И. ЕСрашй»

Завита диссертации состоится " г. ,

ь^^часов на заседании специалиаированного /Совета К 063. 42. О в Московском станкоинструментально» ишягжгуте по адресу: 101472 ГСП. 1Ьсква., К-65. Вадковский пер!... А- За.

С диссертацией ыогао ознакомиться в библиотеке Иэсковскогс стаикоииструшнтадьнога института. *

Автореферат.' равоювш ¿^л^ст \яя2 г.

Ученый секретарь специализированного Совета

ОБЭАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Развитие современного автоматизированного производства, интенсификация технологических процессов требуют повышения производительности, точности, надежности металлореиувего оборудования. Повышаются требования и к ыатериалаы изделий, традиционные сталь и чугун не всегда в доляной степени соответствуют этим требования». Поэтому разработка и применение новых материалов в последнее вре1.;я являются одним из ваянейших направлений науч-го-технического прогресса. В станкостроении использование керамист полимзрбетона, других композиционных ьатериалов позволяет не годы® сократить 1!зссу станков н отдельных узлов, но и улучшггь их технические параметры.

Полнизрбетон (ГШ) как [инструкционный материал привлечет знпманио вследствие того, что обладает показиныи демпфированием далзбашй, хорокзП Еуютогло^а^хий способность гэ, сравнительно п1-;окоЯ по отнокенко к мзтгишгсгсгаш сплавам терютеской пнерцкон-:ость!э, а такта налой степенью усадки при хороппх лп'сйшг: сеойст-

Н связи с непрзрьзпо раступгш требованиями ¡: показателя« дп-[И.35пес1»го качзства техиологнчос1?оГ» спстсм-г станка, пукэвих ха-куягсрпстш?, к тш;га трзОоЕ£!::'.яг.с; повыгзши термичесгюй стсбиль-:ости из дел ¡Г!, разработка I'. г.сслодованкз рзщпстора привода подач ¡тола стшиса г:од. СОДбОШ'И с нримзнсшгсл полтмзрбзтока лвдлетс,'; .ктуалы:сЛ спдачеЛ.

Пель диссертационной работы - опрзделэш:з :•овмэпюстл пр.'пгз-оши полкнзрбетона (спнтогра::а) для пэгоговхепип коробок подач танков, отработка технологии производства детси'зП подобного клас-а и ко!,ялс1\С!ЮЗ исследование нумовых, дешфгфупзк, температурные срактеристик.

Обет методика исследований. Работа прздетозлзна в виде сово-упиости з!хперимзнталы5их и теоретических (с использованием ЭЕ.9 сследовплпЯ. ассперт-'знталышз исехедозания пумовис, деипфируюсте температурных характеристик выполнены в производственных услов'и-на созданном окспоримзитп.яьиом редуоторэ пр:;зода подач стога ганка иод. 65А90Ш?1. а та">гэ в лгбораюрньз: условиях па стоило, эоретическиэ исследования основаны на использовании члелзшпи мз-эдов. обиих пологлшй теории колги&нпЛ. дпнш/нгл станков, вкбрз-нагиоетш!. теория тепгопзредач.'! и гермоупругост;:.

- г -

Научная новизна Основными научшам результатами работы являются:

- воеьюжность достижения более высокой точности , при исполь-вовании полюю рбетона для изготовления корпусов шпиндельных бабок станков, на прюдере экспериментального и расчетного исследования нестационарного теплового состояния редуктора привода подач тяжелого фрезерного стшжа

- сравнительный анализ демпфирующие свойств конструкций изготовленных из различных материалов, позволивший определить степень влияния модальных параметров на амплитуду колебаний и границы благоприятных частотных диапазонов использования данного материала;

- основные требования предъявляемые к проектировании конструкций деталей изготавливаемых с применением полимербетона, а так-хз к литейной оснастке необходимой для деталей такого типа

- целесообразность использования ПБ для изготовления узлов станков с пониженный иуиоизяучениеы и установление наибольшей эффективное?; при паличии в спектре сумоизлучения больсой доли высокочастотных составляющих.

Практическая ценность. Проведенные лабораторные и производственные исследования редуктора привода подач тяжелого фрезерного станка подтвердили работоспособность угла с применением ПБ и возможность снижения его иумоивлучения.

Разработанная методика оценки демпфирующих свойств конструкций изготовленных из различных материалов может быть использована при проектировании станков в целях определения варианта конструктивного решения угла, материалов деталей обеспечивающих лучшие динамические характеристики.

Реализация работы. Результаты работы используется при проектировании и производстве деталей узлов станков на опытном участке ЗНИИЗ и Московском С1Ю "Красный пролетарий" им. А. И. Ефремова

Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всесошной научно-технической конференции "Проблемы комплексной автоматизации производства в машиностроении" (Ереван, 1888), Региональной научно-технической конференции республик Средней Азии и Казахстана (Арунзе, 1989) Всесошной научно-технической конференции "Применение эффективных П-бетонов в машиностроении и строительстве" (Вильнюс, 1689), научно-технической конференции молодых ученых ЗНЮЮ (Москва, 1990) заседаниях экспертных советов отдела 12 ЭЮШС в 1988-1992Г.

- з -

Публикации. Основные полодения работы мзлояены в пяти публикациях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения, изложенных на 1.. стр. машинописного текста. содержит .. иллюстраций. .. таблицы. .. приложения и список литературы иэ ... наименований.

СОДЕРЯАНИЕ РАБОТЫ

Пэрвая глава посвясена анализу состояния вопроса и постановке задач исследования.

Обзор экспериментальных и теоретических исследования показал, что тенденции раавития науки и техники требужоде постоянного совершенствования параметров станков ведут к поиску новых конструктивных решений и исследований по применимости новых материалов. В настояцге время перспективы прогресса в иааиностроении. а в частности и в станкостроении, в основном связываются с разработкой' и иирокиы применением композиционных интервалов. Успешная реализация больших потенциальных возможностей, залоганных в идее композиционного »материала и свойствах его компонентов в значительной юре зависит как от знания принципов конструирования и методов расчета, гак и от теоретических и экспериментальных исследований самих кон-гтрукций из таких цатериалов.

Боль пая часть несущи элементов и других деталей станков выполняется с использованием металлических сплавов, которьв в свявя з постояннио растущими требованиями не всегда могут им соответст-зовать. Вследствие этого в отмечается повывзнный интерес к нетра-1ИШЮННЫМ в станкостроении материалам: бетону, граниту и к одному «а видов композиционных материалов - полишрбетону, как к эоэыож-1кы зашнителяы мзталлических материалов при изготовлении деталей ¡танков. По своим эксплуатационным качестваа, а такяе по физи-со-техническим параметрам для базовых деталей станков наиболыгий штерес представляет подимербетон.

Ка вопрос, является ли подишрбетон альтернат1Шоа чугуну, для ¡танков небольшое ткпоравмэров с технической точки зрения иояэт >ыгь дан положительный ответ, но с учетом того что конструкторы та не достаточно знакомы с этим иатернадол.

Результаты проведенных исследований показали, что решение о рименении ПБ для конкретного объекта должно приниматься после роведения необходимых проектных исследований, результатом которых

должны стать конструктивные решения, приспособленные к требованиям полимербетона, тщательный выбор и контроль компонентов, оптимальная технология отливки и контроль качества

На основании анализа экспериментальных и теоретических исследований по вопросам, связанным с разработкой и применением полимерных бетонов в станкостроении, можно сделать следующие выводы:

1. Полимерный бетон как конструкционный материал для изготовления деталей станков является сравнительно новым и весьма перспективным материалом.

2. Широкие исследования по созданию станков о использованием ПВ, ведутся с начала 70-х годов в Швейцарии, а позднее в большинстве ведущих капиталистических стран и ряде стран Восточной Европы, таких как Чехословакия, Болгария и Румыния. Но главенствующие позиции занимают ФРГ, Швейцария, Япония. Большие работы в данном направлении ведутся и в нашей стране (ЭНИМС).

а На сегодняшний день в целом определены основные направления исследований а так» области применения деталей из ИВ в станкостроении. •

4. Недостаточны и нередко противоречивы практические сведения по протекали» тепловых процессов в станках с применением ПВ.

Б, Проблема снижения уровня пума станков актуальна и является одним из главных критериев качестве станков. Испытания на пум серийных металлорежущие станков показали что в ряде случаев их показатели не укладываются в установленные нормативы, которые к тому ж имеют тенденцию к еде боль веку повышению. Предварительные исследования станков модели 65А90ПУОД позволили выявить наиболее неблагоприятный с акустической точки зрения узел станка - зубчатый редуктор привода подач стола.

6. Существует ряд работ по расчету и исследованию коробок передач (в основном разъемного типа) с применением ПБ. проведенных главным образом исследователями ФРГ, начаты работы в данном направлении и в нашей стране. Необходимо отметить, что все эти исследования проводились на опытных образцах, при этом отсутсвуют сведения по изготовлению промышленных образцов изделий данного назначения.

7. Для удовлетворения возрастающих требований к станкам по шумовым параметрам и термической стабильности требуется проведение дополнительных исследований по изучению влияния ПБ на эти характеристики.

8, Анализ литературных данных и накопленный опыт свидетельствуют, что ПВ - является перспективным с точки зрения его применения в станкостроении,но требуется уточнение областей наиболее выгодного использования с учетом дальнейшего совершенствования его физико-механических показателей.

Исходя из результатов анализа были определены следующие основные задачи работы:

1. Разработать конструкции деталей и сборочных единиц с применением ПБ, конструкции закладных металлических деталей являющихся их составной частью, а такие необходимую технологическую оснастку (литейные формы).

2. Изготовить требуемую для получения деталей технологическую оснастку, закладные детали и на их основе детали исследуемого объекта

3. Создание и отработка технологического процесса изготовления деталей и сборочных единиц с применением ПК

4. Исследовать экспериментальными и расчетными методами шумовые характеристики готового иэделия.

б. Определить температурные поля (ТП) и температурные деформации (ТЮ. определить воздействие вашнн материала на величины ТД и их влияние на точность станков.

Вторая глава посвящена особенностям конструирования и технологии изготовления редуктора привода подач стола станка мод. 65А90ПШ4 из полимербетона

Разработка конструкции экспериментального редуктора велась при учете требований по сохранению или очень незначительному увеличению габаритных размеров, а такгаэ с условием соблюдения взаиморасположения оси выходного вала с крепеяными отверстиями. Данные требования объяснялись необходт.юсыэ встройки разрабатываемого узла в суцествуюяую конструкцию станка

На рис. 1 показана конструкция экспериментального редуктора привода подач изготовленного с применением сиктеграна (в páspese). Из сиитеграна с использованием технологии закладных деталей формируются: корпус редуктора (1), вал (2), диск зубчатого колеса (3), переходная плита (4), крышка (5).

Проектирование конструкций деталей с применением синтеграна, как правило, требует в зависимости от типа деталей (тела врасзния, коробчатые и др.), их габаритных размеров, массы, от назначения и других требований индивидуального подхода При этом необходима

Рис 1. Конструкция экспериментального редуктора привода подач стола станка код. 65А901Ш4

проработка конструкций с учетом способа изготовления (применение "холодного" литья), то есть вопрос проектирования деталей неразрывно связан с вопросом проектирования литейных форм для юс изготовления и поиском взаимоприемлемого решения.

При проектировании литейных форм для изготовления деталей ив ПБ необходимо учитывать ряд факторов, таких как технологические требования, предъявляемые к готовому изделию, и требуемое количество изделий, получаемых с помощь» данной литейной формы.

В проведенной работе для изготовления деталей с достаточно высокой точностью были изготовлены металлические формы

Разработка литейных форм для изготовления' деталей с применением ПБ велась на основании чертежей этих деталей с учетом следующих требований:

1. Обеспечение требуемой жесткости.

2. Наклон поверхностей деталей из ПБ, необходимый для извлечения их И8 формы достигает 12-15°. Причем для изделий с сечением

близким к прямоугольному требуются дорогостоящие раскрывакплеся формы. Это необходимо с учетом того, что даже при наличии раздели-. тельного состава усилие отрыва заготовки из еинтеграна от элемента формы составляет 0,7...1,0 кг/см? Из этого вытекает следующее требование - формы должны быть достаточно просты по конструкции и обеспечивать достаточно легкое извлечение заготовки. Это достигается использованием проката,поэтому преимущество было отдано в основном прямоугольным формам, что такяе соответствует требованиям экономичности.

3. Формы должны быть спроектированы с целью получения деталей с возможно меньшей механической обработкой еинтеграна, в нашем случае это сведено к минимуму.

4. Отливки иэ еинтеграна значительно превосходят отливки из чугуна по точности размеров. Для деталей,отлитых в стальную форму, допуск составляет 0,1-0.3 мм на 1000 мм. Поэтому в размерах рабочих частей формы усадка не учитывается.

5. фи определении расположении заготовки иэ еинтеграна в форме необходим учет следующих факторов, а такяе приоритет отдельного иэ них: - в верхней, открытой части формы целесообразно располагать наименее ответственную поверхность детали, причем она, как правило, должна представлять иэ себя плоскость; -в нижней части формы целесообразно размещать поверхности эаготовки. имеющие наибольшее количество закладных элементов; -наибольшую поверхность заготовки располагать вверху, для облегчения заполнения формы заливочной смесью и уменьшения высоты формы.

6. Форма должна обеспечивать хорооую эаполняемость.

7. Обеспечение установки в форме базирующих и других технологических элементов.

8. Наличие толкателей для извлечения готового изделия.

9. Обеспечение химической устойчивости материала формы к син-теграну, бензину и ацетону.

10. Обеспечение надежной и удобной фиксации формы на вибростенде.

11. Качество рабочих поверхностей формы должно соответствовать требованиям, предъявляемым к необрабатываемым поверхностям готового изделия.

Накопленный опыт показывает, что при наличии общих технологических приемов, используемых при подготовке компонентов еинтеграна и формовании отливки, для конкретной детали мотет возникнуть необ-

ходимость отработки специфических, применяемых только ДЛЯ нее ове-раций формовки, уплотнения, фиксирования фор«, крепмиш закладки* элементов и др.

1. Определены типовые требования при проектирований деталей изготавливаемых с использованием Ш, а также осяосяш требования предъявляемые к литейтш формам для деталей такого гит

2. Выявлены особенности конструирования деталей и литейных форм для деталей исследуемого узла

3. Дроведеяяый, авалю, выполкекяьк в процесс« сбэдания редуктора экспериментальных исследований технологических факторов, влияющие на качество получаемых ©гдагок к» еноте грана, укшивее? ка необходимость строгого соблюдения появлений и рекомендаций во тех-шшлии (формования деталей из синтеграна <йшт, накоплений при разработке -технологии изготовления деталей редуктора догШййд имевп'иеся иа это время данные технологического регяшНЖ,

Третья тяааа посвящена экспериментальным иесм&звшш ерю-вьи характеристик редуктора привода подач.

Применг да подавляющего большинства среда??® и и@?бД<5» еадагй от шума, невозможно без применения специальных яхусгтбстх дадо* риалов и конструкций.

Как показали предварительные исследойааш, шшйенйй® при заводских приемо-сдаточных испытаниях иа шш мод, 65АЙ6ШМ, один из главных источников шума станхо® дшявА ш&фмщм являлся редуктор ¡привода подач стола стайка С шхш шятт шумоиалуче^ имя данного узла е шк?труют жжертет&хьшъ варианта бьи Пришнен ГШ, бйшюк! щта дшфщтш характеристикам

¡4роведеюш© лаборатсряда кссяетш.ш т стенде эксперимен-■¡гадавха редуктора привода подач, тятшся определить его рабск шгяособность, шумовые характеристик» й наиболее- активные вумепог-ледащие поверхности, корпуса.

В ходе испытаний были проведены аамеры уровня, звука Шр г полосе частот от 10 до 20 ООО Гц. не давней звукббого давления: в основных: полосах частот с® ередяимаг габметрическиШ частотами 125, 250, 500„ 1000, 2000',, 4СШ Ш вШШ

Шумовые характериетйю»: стрёжеяяхш» яри: работе экспериментального' редуктора с деталями' с прйшй<шшс еийтеграиа, с" металлической и: кембиннрсеайжй крышками: при измешшг частот вращения: » интервале 0.. Л5Ш1 мин-1,а затем' строил»»' «шш^ейуюшиё зависи'^ мости-

По результатам стендовых испытаний экспериментальнного редуктора привода подач Сыли определены средние уровни звукового давления в октавных полосах частот (Lm) в дБ и средние уровни звука (Lam) в дБА на измерительных поверхностях.

Анализ экспериментальных зависимостей показывает что при варианте с комбинированной крышкой (синтегран + металл) в целом уровни звукового давления в октавных полосах частот ниле чем у варианта с металлической крышкой,что указывает на положительное влияние синтегран а. Однако наибольший эффект наблюдается для диапазона частот от 2 до 8 кГц. Максимальная разница в октавной полосе 4 кГц составляет 9 дБ.

При исследованиях шумовых характеристик экспериментального редуктора привода подач определяющими являются результаты сравнительных экспериментов с имеющимся серийным прототипом. При проведении испытаний были выполнены следующие работы: 1. Измерение общих уровней шумов различных вариантов сборки редуктора. 2. Построение шумовых спектров посредством третьоктавного анализатора спектров Т0А-И1 (RFT).

Данные работы были проведены для следующих вариантов исполнения редуктора привода подач:

- исходный редуктор;

- экспериментальный редуктор;

- экспериментальный редуктор с начинкой от исходного варианта (валы и шестерни).

Ддя более качественной оценки характеристик иумоизлучения были проведены записи шумов редуктора на магнитную ленту. При этом по сравнению о данными полученными с помощью ТОА-111. проявляется значительная разница в шумовых спектрах различных вариантов сборки редуктора.

Проведение более у8коподосного спектрального анализа шумов редуктора осуществлялось при расшифровке записей пумов, сделанных ia магнитной ленте и построении по ним спектров на ЭВУ. При этом троились одедуюгаю спектры:

- спектр щумов металлического (исходного) редуктора;

- спектр ыумов полимербетонного (экспериментального) редуктора;

- спектр аумов полимербетонного редуктора с металлической начинкой, -

При анаытае шумовых спектров проявились следующие особенности

шумоизлучения: общие уровни шумоизлучения 3-х сравниваемых вариантов исследования распределились следующим образом, наименее вумо-излучаюцим, это видно и по максимальным выбросам амплитуд составлявших спектра на определенных частотах является; 1) спектр шума металлического редуктора далее по возраставшей следуют 2) спектр шума полимербетонного редуктора 3) спектр шума полимербетонного редуктора с металлической начинкой. В целом спектры двух последних совпадают ва исключением факта значительного снижения уровня амплитуд в спектре полимербетонного редуктора на первой зубцовой частоте, вследствие применения зубчатого колеса и вала с использованием синтеграна В сравнении же со спектром стального редуктора вышеперечисленные два спектра представляют собой картину спектра сдвинутую параллельно частотной оси в сторону низших частот примерно на 650 Гц.

№ основании анализа данных экспериментальных исследований в конструкцию корпуса редуктора были внесены изменения. Дяя определения аффект мости изменений, внесенных в конструкцию корпуса, проводились повторные сравнительные испытания, выполненные в заводских условиях.

Наряду с измерениями общих уровней шумов анализировался их спектральный состав по величине составлявших пума Измеряемый частотный диапазон для шума от 20 Гц до 20 кГц, при этой для частотного анализа спектра строились предварительно в координатах частота - амплитуда от 0 до 20 кГц , а после выделялась часть спектра от 0 до 2,3 кГц. содержащая наиболее значимые составляю©» пука. При изьюрениях выделялись результаты, полученные на частотах, близких по значения к собственна частотам, зубцовым и кратным ¡га для исследуегэдс вариантов сборки редуктора, определяемым расчетам путе-у. Наиболее характерные спектры сугюв, полученные при испытаниях представлены на рис. 2.

Представление для примера спектры супов подтверждает эффективность использования снатеграна в качестве ;.'лте риала корпуса ро-дуктора Зонные экспериментов показали такта, что синтегран шгй? Ооть пртгнец для виброиэодящш и гасения вибраций, генерируема з зубчатом зацеплении, а тага» правильность дополнительных иеросрия-л'Л по доработка корпуса коробки. При этом следует учитывать, что испытания проводились на холостом ходу, с увеличением нагрузки разница ь пукоизлучении возрастает.

Эксперименты показали, что для снижения шума необходим рацк-

а)

JO

ха

к.

14

12 1П

б)

«мтосгммгс

к

tt~—:—

W

ээ эо вэ 20 13

ю

1i9*3 Sf,*r4 0 1 г J * 5 6%кГц

Рис. 2. Спектры щумов различных исполнений редуктора: исходного варианта (а) и экспериментального (б)

опальное проектирование, направленное на возможно меньшее применение металлических деталей, позволяют© в полной мере использовать лучше демпфируете характеристики ГОЗ. Проведенные мероприятия по введению конструктивных из^-енений корпуса коробки ПОЗВОЛИЛИ снизить колебания, генерируемою зубчатым ззцзшккием и подшиниками, '•то в свсэ очередь выразилось в снижении обирго уровня шума редуктора

т,?тгсрг,?л глава посвяпена исследованию демпфирования в редуктора привода подач.

Па практике увеличение демпфирования в материале и конструк-1~.с:;::ого лемт^ировалия является эффективным лишь в том случае, ютла оно угз.:и'-"!згет «гадальное демпфирование в заданном частотном диапазоне. Рагсслнс.е энергии при циклических напряжениях обычно могс-ю связать с ч?7ь?ь»*я оскогикми "кэханизмами" или "эффекта»®":

1. Э.тсктри".сск;,а и с::?ктрс:'агяитт:е эффекты

2. Шро>!?хар:1'ис.с:о л акустические эффекты

3. Потере иг трение Еследств;:е взаимодействия п соединениях н стыка? (конструкционное деииф/.роаанте)

4. Демпфирование в материалах

Считается, что гонструккюгоее дедтфирсраш'е обеспечивает наилучше геюг'чроеание в несуида системах (НС) металлообрабатывающих станков. Однако обеспечиваемое этим методом демпфирование достигается в уиерб структурной гееткоогл, л поэтому сейчас суцесг-зеннс больший интерес привлекает д»мг*ироваш:с за счет изм-зяения

характеристик материала.

Преимущество конструкций из ПБ по сравнению о конструкциями из традиционных материалов заключается В достаточно выдокой динамической жесткости, обусловленной более высокой ДвМЯфирУВДЭЙ способностью деталей, что сказывается на уровне вибраций, №ХШНШ0~ кого шума и в повышенной тепловой инерции.

В литературе, посвященной результатам исследований конструкций из пб приводящей 9 основном результат« сравнительных динамических испытаний, На реновации полученных данш, зачастую делаются не достаточно обоанэшные вывода,

Одним, из основных шяетоя ол&дуюший: налицо снижение уровня колебаний (и/или шумоизлучэния), следовательно оказывается более высокое демпфирование в материале, влияние которого ощущается и И8 общем демпфировании. Отсюда делается заключение о выгодности при* менения ПБ для улучшении динамичэоких характеристик. Дале если при этом приводятся аначаш коэффициентов демпфирования, как правило, без последующего анализа и обоснованных выводов.

Исходя из этого, была поставлена задача разработки методики сравнительного вдвдива демпфирующих свойств конструкций наготовленных из раалнЧШ Материалов,

За основу был взят экспериментальный модальный анализ. Как известно, экспериментальным модальным анализом называют процесс определения оценок МОДйЛЬНИХ параметров по экспериментальным данным. Экспериментальный мааадьный анализ ОМА) как метод идентификации упругих систем (УС) станков в последнее время подучил широкое распространение. Он основан на аппроксимации экспериментальной амплитудно-фазовой Чёйтоткай характеристики (АФЧЮ Уд УС станка выражением

которое вытекает № раадоШйЯ колебаний по модам (едеаь К^« У^/Ск - податливость к-й ш«Ы <У1к: ^к - элементы вектора <Уц>; Ск- - модальная жесткость УО стайка). В оду-

чад достаточно собственных частот и слабого мшниа НМ9-

щх и высших форм колебаний, начальные значена мощйных паракй?-ров могут быть найдены по экспериментальной щштуДйО--

характеристика (Л(Щ (Ш) I-

НачаЛММ? значения МП е©$Шййных чао^&Г Гк определяются как Частоты, еовтвететвуюпгие максимумам дОД; начальные вначения для отноеитеЯбйНХ коэффициентов демпфирования определяются по формуле ¡'к-лГ*/2^'; (2)

ШЛ&ШИШ податливости К|, определяются как

|Кк| - 2 |У(Гк)|-]к; _ (3) ,

фзры/яу (3) м035н0 выразить следующим образом | - Кц/2-д, отсюда еидно. что амплитуда на собственной частоте Г* определяется двумя сдельными параметрами: модальной податливостью Кь и относи-тельяш коэффициентом модального демпфирования . Следовательно сййШИ» амплитуд колебаний мокет быть вызвано как уменьшением мо-ДЭЛШЯ! податливости, так и увеличением модального демпфирования.

Шз?ому выводы авторов ряда работ о пордаеяда демпфирования констружш ло снижению уровня амплитуд колебедий являются не совсем корректными.

££ДОй>яая податливость К«, определяется |к-й формой колебаний и к-Я оббеганной частотой с К ^ - ^Ц'^к/^Ь собственная частота и форШ 1<6£§&5НИЛ зависят от гесткостных свойств конструкции и расп-реДёлз-ни'Я ЙЭФ5, 14здальиов демпфирование.^ определяется демпфирующая себйет^&НИ различных элементов конструкции, э том числе и не-посредстйзйЖ1 8 «зтериале, с учетом участия деднрге1 элемента в колебаниях на' частоте я считая ¡колебаний не СМЬнО иштхтят (Ш врвЕМШШ вариантов), £ случае после-дбват'ёжнйтб' 9жш68 г я* ч" 0пределяет степей» учес-Ш? § кйлебййиях' нё дарроте. ^ - коэффициент- рёввбвШ §№р$М ^то элё'мёнтй.-

ЙШЛ» Мй бйёШ влияния хй^а^ристик материал» да- КШт'ёукции' необходим© убедиться » том' ® я^ае близости" ДОЯФЯЯШ)!»^/ Для сравнения эффективности применений1. материалов «е$>6ходимо сравнивать модальное демпфирование' Ш близких формах и близких собственных частотах. При о преде-лейШ модальных параметров могут быть использованы различные ч&йтотных характеристик (АЧХ, АфЧХ. автоспектры и др.).

Для сравнительного анализа демпфирующих свойств конструкций изготовленных с применением раз личные мзряри&юв сле-

дуеддая методика:

1. Получение экспериментальны-' ШзтотныХ хара>#£]Ш9?ик и

- к - 1

оценка близости форм колебаний.

2. Определение модальных параметров ^ „^К^ методом аппроксимации для сравниваемых вариантов конструкции с помощью программы, реализующей алгоритм ЭМА (МСЮАЮ.

3. Построение зависимостей К^- К(Г^) и £ (Г(,) для сравниваемых вариантов.

4. Анализ полученных зависимостей и определение частотных областей аффективного применения материала.

При этом следует отметить, что поскольку К к,ск не зависят от места приложения нагрувки и измерения а также от вида частотной характеристики, то следовательно еначения можно считать универсальными. и являющимися постоянными для данной конструкции в определенном частотном диапазоне.

На основании полученных данных можно говорить о целесообразности применения синтеграна для улучшения динамических характеристик объекта исследования.

Для экспериментального исследования модальных параметров конструкций изготовленных из различных материалов использовался редуктор привода подач стола станка 65АООПМФ4. Экспериментальные исследования проводились с целью выявления выгодных с точки врения динамической устойчивости диапазонов частот колебаний. № разработанным в ЭНИМСе программам ЗСЛИЕЙ и т. из исходных сигналов были построены экспериментальные автоспектры колебаний для двух сравниваемых вариантов редукторов - это металлический (серийно выпускаемый) и экспериментальный редуктор с применением синтеграна. Данные программы строят спсктры используя один ия вариантов классических частотных окон при гармоническом анализе методом дискретного преобразования Фурье, так называемое треугольное окно (окно Фейера и Бартлетта), а во временной области окно Хэннинга.

Зависимость к), -кс г^) имеет достаточно сложный характер. На разных участках соотношение модальных податливостей является различным для сравниваемых вариантов уела. Распределение отношения К(, (Ме)/Кк(ПБ) представлено на рис. 3(а).

При рассмотрении зависимости (Г^) необходимо отметить, что на подавляющем большинстве собственных частот коэффициенты модального демпфирования у варианта редуктора изготовленного с применением ПБ выше чем у металлического аналога. Распределение отношения ^(ПБ)/Д(Ме) представлено на рис. 3(в).

Совместный алалиэ зависимостей представленных на рис. 3 (а) и

(в) позволяет определить степень влияния каждого ¡гадального параметра (К4 ина амплитуду колебания.

Проведенные эксперименты и анализ данных показали возможность сравнительной оценки демпфирования непосредственно по данным автоспектра, в определенном частотном диапазоне. Соотношение модальных податлизостей для сравниваемых вариантов конструкции является ,77б \к

е-

а)

(v

0

/1см

о

гз т ?:( пзгшзсэ ^ ^

^ишшштгшшгшш

\ж

„9 о © ©

23 тег

т

/А

Рис. 3. Распределение отношений модальных податлизостей (а), отношений коэффициентов модального демпфирования (в) и предпочтительные диапазоны применения (б)

а

различным на отдельных частотных диапазонах. В целом модальное демпфирование конструкции из ПБ выше, но не исключена ситуация когда в определенных обстоятельствах может возникнуть ситуация прямо противоположная, пусть даже в достаточно узком частотном диапазоне. Анализ аависимостей модальных параметров позволил установить границы так называемых "благолриятных"частотных диапазонов применения синтеграна, которые были определены для исследуемой конструкции (рис. 3(6)).

Экспериментальные данные подтвердили, что выводы части авторов утверждающих что снижение амплитуд колебаний на собственных частотах у деталей и уэлон с применением ПБ происходят вследствие ув?лич*ния л-»мпФи'>орннин ь материале являются не всегда корректны-

ми. На амплитуды колебаний на собственных частотах существенное влияние оказывает и медальная податливость УС. Данная методика таким образом позволяет четко оценить степень влияния демпфирующих характеристик материала на уровень колебаний, дает возможность получения рекомендаций по практическому применению новых материалов в станкостроении.

Пятая • глава посвящена экспериментальному исследованию температурных полей и температурных деформаций, а также расчетному анализу нестационарных тепловых процессов для различных исполнений редуктора привода подач.

При экспериментальном исследовании измерение температуры осуществляли контактным , цифровым термометром фирмы "БКР" с погрешностью измерения ± IX. Температурные деформации измеряли посредством специально сконструированной оснастки.

Следует отметить, что литературные данные показывают - как в зарубежной так и в отечественной практике не накоплено достаточного практического материала, в частности по поведению реальных объектов (с использованием ПКМ), по их тепловым характеристикам и влиянию их на качество станка. Учитывая данные обстоятельства, была поставлена цель - сравнительная оценка температур нагрева и деформаций редуктора привода подач экспериментального и серийного исполнения, идентификация результатов экспериментов и расчетов. Кроме того близость конструкции корпуоа редуктора по форме к конструкции корпуса шпиндельных бабок позволила проводить также исследования корпусов из различных материалов с целью выявления резервов повышения точности станков, при применении ПБ (синтеграна) в качестве материала для шпиндельных бабок металлорежущих станков.

Сравнительные исследования нестационарных температурных процессов в редукторе привода подач показали более высокий уровень температур нагрева в воне опор валов редуктора с применением ПБ. Нэ благодаря тепло-физическим характеристикам ПБ и связанному с ними более высокому градиенту температур, общий уровень "температур и температурных деформаций является на практике ниже.

На рис. 4 показаны результаты сравнительной оценки нестационарных температурных смещений оси выходного вала для различных исполнений редуктора привода подач. По результатам экспериментальных данных ряда работ, известно, что в течение смены даже станки традиционного исполнения не выходят на установившийся режим. Поэтому промежуток времени в течение которого узел традиционного исполне-

ния выходит на установившийся режим (примерно 3,5 часа) является рабочим участком, на котором соотношения .температурных смещений для вариантов сравнения являются действующими на протяжении смены.

80 60

а) и 20

аУ,№1

е-

щ У гг

1

' 20 Я §10 5

0 1 2 3 4 5 6 7 6 Т.чос.

~ёх,нкм~".....

/ г

/ /

/7 /

¥

О 1 2 3 4 5 6 7 6 . т.час

уг.мкм/м

0 12 3 4 5 6 7 6

Т.чос

Рис. 4. Температурньи сме¡пения оси выходного вала, линейные (а,б) и угловые (в,г);1 - серийный редуктор. 2 - экс-пориментальньй редуктор (ПБ) - - - - эксперимент; --расчет

Проведенные исследования показали что при применении ПБ в качестве материала корпусов шпиндельных бабок возможно достижение более высокой точности.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1, В качестве объекта исследования по предложению ГСКБФС (Ульяновск) была разработана экспериментальная конструкция, редуктора привода подач стола станка мод, 6БА90ПМФ4 - тяжелого вертикально-фрезерного станка типа ОЦ, производитель Ульяновский завод тяжелых и уникальных станков (УЗТС), Данный редуктор являлся одним из основных источников шумоизлученчя станков данной модели. При

этом, в связи с эначительньм повышением требований международных стандартов к шумовым характеристикам станков, решалась задача создания конструкции узла с пониженным оумоиз лучением.

2. Разработанная и исследованная конструкция экспериментального редуктора привода подач, обеспечила снижение обшего уровня звукового давления на 2-3 дЕА, а в отдельных частотных диапазонах до 8дЕ Проведенные экспериментальные исследования показали работоспособность данной конструкции, при этом использование ПБ позволило снизить металлоемкость на 702.

3. В процессе работ по созданию редуктора были определены типовые требования и рекомендации по проектированию деталей изготавливаемых с использованием ПБ, а такжэ основные требования предъявляемые к литейным формам для деталей данного типа. Выявлены особенности конструирования деталей и литейных форм для деталей исследуемого узла. Опыт, накопленный при разработке технологии изготовления деталей редуктора дополнил имевшиеся на это время данные технологического регламента.

4. Проведенные исследования шумовых характеристик в лабораторных и производствен® условиях при установке испытуемого узла непосредственно на станке показали, что применение синтеграна для изготовления корпусов и деталей кинематической цепи механических передач позволяет снизить уровень шума в широком диапазоне частот, при этом наибольшая эффективность достигается для увлов имеющих в спектре шуюизлучекия большую долю высокочастотных составляющих свьое 2 кГц.

Б. Разработаная методика сравнительного анализа демпфирующее свойств конструкций изготовленных из различных материалов, позволяет определить степень влияния модальных параметров на амплитуду колебаний, а также границы рекомендуемых "благоприятных" частотных диапазонов использования данного материала.

6. При применении ГШ. как показали исследования, происходит сокращение числа проявившихся собственных частот и сдвиг их в сторону меньших значений.

7. Проведенные экспериментальные и расчетные исследования теплового состояния серийного и экспериментального редукторов привода подач показали, что уровень температур имеет большие значения в зоне опор качения редуктора из синтеграна. Однако, благодаря теплофизическим характеристикам синтеграна и связанному с ними более высокому градиенту температур, общий уровень температур и тем-

пературиих деформаций редуктора привода подач из синтеграна ниже в сравнении с исходным вариантом.

8. Проведенная • нденткфн:сащш экспериментальных и расчетных данных исследований теплового состояния различных исполнений редуктора показала их достаточно хорошее соответствие.

9. Результаты работы по созданию редуктора пониженного пумо-квлучзнкя принп'гы для внедрения на Ульяновском заводе тяиелых и уникальных станков. Разработанные рекомендации по проектированию деталей узлов станков используются при конструировании и производстве на опытном участка 3HJÍL33 и Московском СПО "Красный пролетарий" им. Л. И. Ефремова.

Основные положения и результаты диссертации опубликованы в слэдуюсих работах:

1. Урбанов И. И. , Ломзко И. П. Исследование шлицевьи соед1шений с применением полимерных композиционных материалов // Молодежь и научно-технический прогресс в машиностроении: Тез. докл. Респ. науч. -техиич. кон&. 26-23 апреля 1988 г. - Ереван, 1988. - С. 61-62.

2. Урбанов И, И. Разработка и исследование редукторов станков с прпдокеикем полюгариых композиционных материалов // Методы и средства повышения эффективности машностроителъного производства: Тез. дскл. Регион, науч.-технич. конф. респ-к Средней Азии и Казахстана. - Сруиве, 1989. - С. 61.

3. Кудиков Е А., Урбанов И. И. Перспективы применения полимер-бетона (сштеграна) в редукторах станков // Применение эффективных П-бетонов в цагнностроении и строительстве: Тез. докл. Всесоюэн. конф. 11-13 октября 1989 г. - Вильнюс. 1989. - С. 32.

4. Урбанов II И. Проблемы создания редукторов станков с использованием синтеграна: Сб. научн. трудов. - М.: ЭНИМС, 1990.

5. Урбанов И, И. Сравнительное исследование демпфирующих свойств с помощью модального анализа // Динамика станочных систем гибких автоматизированных производств: Тез. докл. - Нижний Новгород. 1992 (в печати).