автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.06, диссертация на тему:Разработка методов и средств создания автоматизированных систем управления тепловым состоянием металлорежущего оборудования для повышения его точности.

На правах рукописи

4059643

Кузнецов Александр Павлович

РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ СОЗДАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫМ СОСТОЯНИЕМ МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЕГО ТОЧНОСТИ

Специальность 05.13.06 - «Автоматизация и управление технологическими

процессами и производствами (технические системы)»

АВТОРЕФЕРАТ диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

Москва-2011

1 О НО Я 2011

4859643

Работа выполнена в ФГБОУ ВПО Московском государственном технологическом университете «СТАНКИН».

Научный консультант: доктор технических наук, профессор

Косов Михаил Георгиевич

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Утенков Владимир Михайлович

доктор технических наук, профессор Султан-заде Назим Музаффарович

доктор технических наук, профессор Копылов Леонид Вадимович

Ведущая организация: ФГБОУ ВПО «Московский авиационный

институт (национальный исследовательский университет)»

Защита диссертации состоится "13 "декабря 2011 г. в 14.00 час. на заседании диссертационного совета Д 212.142.03 при ФГБОУ ВПО Московском государственном технологическом университете «СТАНКИН» по адресу: 127055, Москва, Вадковский переулок, д. За. .

У"

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО Московского государственного технологического университета «СТАНКИН».

Автореферат разослан «18» октября 2011 г.

Учёный секретарь диссертационного совета к.т.н., доц. Семячкова Е.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Растущие темпы технического прогресса в области создания новых машин обусловливают необходимость создавать и осваивать ежегодно новые конструкции (или повышения технического уровня и модификации конструкции) изделий более высокого уровня точности, качества, надежности, эффективности и производительности, а также применять новые виды материалов, обеспечивающие требуемые свойства, параметры и характеристики изделий. В связи с этим существенно возрастает роль точности металлорежущего оборудования, доля которых занимает значительный удельный вес в общем объеме машиностроительного производства, а управление ею определяет как научное, так и практическое содержание комплекса работ по повышению эффективности производств, обусловленной техническим прогрессом. Поэтому проблемам автоматизации и управления технологическими процессами и производствами отводится важнейшая роль, так как именно эти направления науки и производства непосредственно занимаются решением актуальных задач в машиностроении, которое имеет большой удельный вес в экономике страны.

В настоящее время на мировом рынке наукоемких промышленных изделий отчетливо наблюдаются три основные тенденции: повышение сложности и наукоёмкости изделий, повышение их качества и снижение ресурсоемкое™; повышение конкуренции на рынке изделий, предприятий и корпораций; развитие кооперации между участниками рынка.

Высокие требования к параметрам точности, обрабатываемым на станках изделиям, обусловливает необходимость постоянного увеличения точности самого металлорежущего оборудования. Так, для металлорежущих станков достижимая точность обработки в настоящее время находится в диапазоне 1-5 мкм, а в ближайшие 10-15 лет может быть достигнут стабильный диапазон точностей в пределах 0,1-1 мкм, что потребует значительных усилий по исследованию процессов и механизмов достижения и обеспечения точности во всем спектре проблем - от проектирования и производства станков до систем

3

управления их состоянием при обработке изделий.

Каждому виду обработки резанием соответствует потенциальная возможность достижения предельной точности, диапазон которой находится в пределах от 0,05 мкм до 6,4 мкм, а для их достижения требования к параметрам точности металлорежущего оборудования являются предельно высокими, а к отдельным составляющим выходных параметров точности станков ещё более жесткими.

Современное состояние и тенденции развития металлорежущих станков обусловливают необходимость увеличения их энергонасыщенности, времени производительного функционирования, концентрации, выполняемых операций на одном станке, расширение функциональных возможностей, повышение скоростей и других параметров и характеристик, что требует значительного и постоянного увеличения энергетических затрат.

Подводимая к станку энергия, не затрачиваемая на его функционирование и осуществление процесса резания, преобразуется в тепловую и аккумулируется в узлах, деталях и механизмах станка, а частично рассеивается в окружающую среду.

Поэтому в общей совокупности процессов, протекающих при обработке металлов резанием, тепловой фактор играет весьма важную роль. Доля тепловых деформаций в общем балансе погрешностей обработки и точности станка тем выше, чем жестче и выше требования к точности обрабатываемых деталей.

Особую роль играют тепловые деформации в станках с ЧПУ, так как они являются более энергоёмкими, а доля машинного времени достигает 70-90%. В станках с ЧПУ до 50% энергии, подводимой к ним, рассеивается в его узлах и деталях тем самым увеличивая теплонапряженность конструкции станка, его деталей, узлов. Доля тепловых погрешностей в общем балансе точности станков с ЧПУ может достигать 30-70%, причем характер и степень их влияния неодинаковы для различных параметров точности обрабатываемых деталей.

Экспериментальные исследования температурных полей, тепловых деформаций станка и его точности необходимы для определения и оценки реальных и фактических величин его точностного и теплового состояния. Кроме этого, экспериментальная оценка всего комплекса параметров, которые определяют и формируют тепловое состояние деталей, узлов и станка в целом, является материально, экономически и физически сложной задачей, анализ результатов которой также представляет собой значительные трудности.

Поэтому необходимо как качественно, так и количественно оценивать ожидаемое тепловое состояние металлорежущего станка, определять характер этого состояния во время его работы, что позволит как при проектировании, так и при эксплуатации станка принимать эффективные решения по компенсации, коррекции к управлению тепловым состоянием станка и его точностью.

Следовательно, требуемый достаточно высокий уровень достижения точности металлообрабатывающего оборудования обусловливает и определяет необходимость не только глубокого изучения причин и методов формирования точности и их констатации, но и нацеливает на разработку методов и средств создания систем управления как теплового состояния, так и обеспечения высокого уровня точности данного класса оборудования.

Изложенное указывает на актуальность темы диссертации, посвященной повышению точности металлорежущего оборудования на основе методов и средств создания автоматизированных систем управления его тепловым состоянием, построению моделей формирования точности, методам обеспечения их заданного уровня, а также разработке способов, методов и средств испытаний, контроля и диагностики.

Целью диссертационного исследования является разработка методов и средств создания автоматизированных систем управления тепловым состоянием металлорежущего оборудования для повышения его точности.

Задачами исследования являются:

- обоснование возможности обеспечения требуемого уровня точности на основе управления её функциональными системами;

- исследование выходных параметров точности металлорежущего оборудования и определение закономерностей формирование их отдельных составляющих: геометрических, кинематических, упругих, динамических, тепловых и др., обусловливающих и обеспечивающих достижение требуемого уровня точности обрабатываемых изделий;

- оценка уровня значимости факторов при обосновании выбора вида системы управления выходными параметрами точности металлорежущего оборудования;

- разработка критериев подобия оценки теплового состояния деталей и узлов различных видов металлорежущего оборудования;

- разработка моделей и методов анализа и синтеза параметров деталей, узлов и механизмов металлорежущего оборудования, которые обусловливают и определяют его тепловое состояние и уровень выходной точности при формировании системы управления ими;

разработка и обоснование методов построения системы управления тепловым состоянием металлорежущего оборудования, разработка их математических моделей, создание типовых видов и структурных компонентов, формирующих системы управления тепловым состоянием металлорежущего оборудования для повышения его точности.

Научная новизна результатов работы:

1. Установлены связи между показателями точности металлорежущего оборудования и погрешностями отдельных деталей, узлов и подсистем, вызываемых действием тепловых, упругих, геометрических, кинематических, динамических факторов, обусловливающих достижение требуемого уровня точности обрабатываемых изделий и определяющих наиболее важные направления управления ими при их создании и эксплуатации.

2. Разработаны методы формирования и оценки показателей точности металлообрабатывающего оборудования и технологических систем как процесс взаимосвязанного изменения информационного, геометрического и технологического образов.

3. Разработана обобщенная схема построения и анализа функциональных и структурных моделей металлорежущего оборудования, которые в соответствии с осуществляемыми функциями деталей и узлов, их функциональными связями и отношениями формируют и обусловливают изменение точностных характеристик металлорежущего оборудования.

4. Предложена модель формирования, построения и теплофизического анализа металлорежущего оборудования и его теплового состояния на основе теплоактивных элементов и их квазитермостабильных связей, функции теплового поведения которых обусловливают и определяют закономерности и виды теплового состояния металлорежущего оборудования.

5. Обоснованы, систематизированы и получены критерии подобия теплового состояния теплоактивных элементов, теплонагруженных деталей и узлов металлорежущего оборудования. Даны их виды, классификация, параметры и характеристика.

6. Получены, обоснованы и экспериментально подтверждены типовые закономерности изменения теплового состояния металлорежущего оборудования. Дана их классификация, условия формирования, вид и характер изменения во времени. Приведена их обобщенная зависимость и дана оценка параметров, которые обусловливают тепловое состояние металлорежущего оборудования.

7. Разработаны тепловые модели и получены решения по определению температурного режима типовых теплоактивных элементов, деталей и узлов металлорежущего оборудования для различных условий их тепловых нагрузок и теплонапряженности.

8.Разработан метод испытаний, контроля и диагностики температурного режима и теплового состояния металлорежущего оборудования.

9. Разработаны методы и средства создания и построения автоматизированных систем управления тепловым состоянием и точностью металлорежущего оборудования. Получена оценка уровня значимости факторов при обосновании выбора структуры и вида системы управления выходными параметрами точности металлорежущего оборудования.

Ю.Разработаны алгоритмы управлением тепловым состоянием металлорежущего оборудования, приведена их программная и аппаратная реализация.

11. Создана методология и приведено базовое информационное и программное обеспечение для управления тепловым состоянием и повышения точности металлорежущего оборудования в существующей информационной среде предприятия.

Практическая ценность работы:

1. Разработана методика оценки показателей точности и надежности металлообрабатывающего оборудования и технологических систем (Методические рекомендации. МРЗЗ-81.Надежность в технике. Технологические системы. Расчет и оценка показателей параметрической надежности технологического оборудования с ЧПУ- М., ВНИИНмаш Госстандарт, 1981г.).

2. Разработана методика построения и анализа функциональных и структурных моделей металлорежущего оборудования и нестационарного изменения свойств и характеристик их выходных параметров точности.

3. Предложены практические рекомендации по сопоставлению и оценке деталей и узлов металлорежущего оборудования по критерию подобия их теплового состояния.

4. Разработана методика создания и построения систем управления тепловым состоянием для повышения точности металлорежущего оборудования.

5.Разработан способ автоматической компенсации тепловых смещений шпинделя металлорежущего станка (A.c. № 1041226).

6.Разработан способ контроля температур и тепловых деформаций металлорежущих станков и устройство для его осуществления (A.C. №998092).

7.Разработаны способы управления теплоактивными элементами (Патент РФ №2015413, Патент РФ №1696298, A.C., №1653905, . A.C. №1649198).

Апробация работы.

Основные научные результаты докладывались на научно-технических конференциях 1977 - 2011гг. В частности: Машиностроение - традиции и

инновации -2011г., Современные технологии в горном машиностроении -2011г., Перспективные направления развития технологии машиностроения и металлообработки - 2008, Научно - технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения - 2005г., Проблемы автоматизации и управления в технических системах - 2004г., Информационные технологии и управление жизненным циклом изделий -2003г., Автоматизация производства и робототехника -1989г. (Детройт, США), Автоматическое управление точностью обработки на металлорежущих станках - 1978г., Расчет точности деталей машин и приборов - 1978г., У научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов 1977г.

Реализация результатов работы.

Основные научные и практические положения диссертации внедрены в виде методических указаний и рекомендаций Госстандарта, методики использованы при проведении НИИОКР ряда станкостроительных предприятий (Львовский завод фрезерных станков, Владимирское ПО «Техника», Московский завод им. С.Орджоникидзе, Филиал ЭНИМСа - НПО Армста-нок, НПО НИТИ и другие). Результаты исследования представлены в виде методического материала, разработанных и запатентованных системах управления и устройствах, информационно-программного обеспечения и технологических рекомендациях. Результаты работы использованы в учебном процессе по направлениям 151900 «Конструкторско-технологаческое обеспечение машиностроительных производств», 220700 «Автоматизация технологических процессов и производств», а также в двух учебниках.

Публикации.

Основные положения диссертации опубликованы в 48 печатных работах, в том числе 6 научных монографиях, 2 учебниках, б авторских свидетельствах и патентах на изобретение, 34 научных работах, в том числе 15 статьях в журналах, входящих в Перечень российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора наук.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения шести разделов, заключения, списка литературы из 261 наименований, 2 приложений. Работа изложена на 284 страницах машинописного текста, сдержит 95 рисунков и 21 таблицу.

Во введении приведена оценка состояния исследуемого вопроса, обоснована актуальность рассматриваемой проблемы, изложена общая характеристика и краткое содержание диссертации, даны основные результаты, характеризующие научную новизну исследований, выносимых на защиту.

В первом разделе дан анализ состояния вопроса и существующих тенденций повышения эффективности производства на основе систем управления точностью и тепловым состоянием металлорежущего оборудования. К настоящему времени различным аспектам обеспечения жизненного цикла изделий посвящены работы многих как российских, так и зарубежных ученых: Соломенцева Ю.М., Митрофанова В.Г., Косова М.Г., Колчина А.Ф., Ковшова А.Н., Назарова Ю.Ф., Бакаева В.В., Капустина Н.М., Кривошеева И.А., Ли К.В., и других.

Во многих работах отмечается, что длительности всех стадий жизненного цикла изделия коренным образом влияют на его эффективность. Особое значение имеет сокращение сроков научно-технической подготовки производства.

В настоящее время на мировом рынке наукоемких промышленных изделий отчетливо наблюдаются три основные тенденции: повышение сложности и наукоёмкости изделий; повышение их качества и снижение ресурсоемкое™; повышение конкуренции и развитие кооперации.

Главной проблемой, стоящей перед отечественной промышленностью, является повышение конкурентоспособности выпускаемых изделий на основе роста эффективности управления информацией об изделии и повышение конкурентоспособности предприятий за счет роста его уровня информатизации. Добиться повышения конкурентоспособности изделия можно, в том числе за счет оптимизации критерия цена/качество изделия, снижение себе-

стоимости, повышение качества, сокращения сроков создания изделия.

Так, внедрение ИПИ - технологии позволяет: сократить затраты на проектирование -10-30%;сократить долю брака- 23-73%;сократить время разработки изделий-40-60%;сократить времени выхода на рынок-25-75%; сократить затраты на техническую документацию- 40%;сократить затраты на эксплуатационную документацию -30. Поэтому работы по созданию систем управления и повышения точности металлорежущего оборудования являются важным направлением в повышении эффективности CAD/ CAM/CAE подсистем в общей структуре ИПИ - технологии.

Широкому аспекту вопросов точности металлорежущего оборудования посвящено большое количество работ как отечественных, так и зарубежных ученых. В таблице 1. приведены основные данные по концептуальным, общим и часто применяемым методам оценки точности металлорежущих станков, предложенные отечественными и зарубежными авторами, сформулированы методологические принципы оценки, рассмотрения и определения точности станков. Рассмотрение и анализ работ по вопросам точности позволил сделать вывод о необходимости представления и описания выходных параметров точности как взаимосвязанной системы информационных, геометрических и технологических образов, каждый из которых будет характеризовать совокупность свойств соответствующих системных объектов. Кроме этого возникает необходимость оценки взаимного влияния параметров воздействий на точность металлорежущего оборудования.

Для анализа современного состояния вопроса по методам оценки температурных полей и температурных деформаций металлорежущего оборудования автором применен алогичный подход. В табл. 2. приведены основные данные по наиболее общим и часто применяемым методам оценки температурного режима и теплостойкости металлорежущих станков, концептуальные и методологические принципы оценки, положенные в основу описания и определения теплового состояния металлорежущих станков.

Методы оценки точности металлорежущих станков. Таблица 1.

№ п/ п Автор Год Метод исследования, анализа и оценки № п/п Год Метол исследования, анализа и оценки

1 Бруевич Н.Г 1946 Вариации функции входных и выходных параметров 16 Kiridena V.S.B. 1993 Кинематика TBepfloro(rigid) тела (квазистатическая) и преобразование координатных систем

2 Соколовский А.П. 1952 Статистические методы оценки точности и её составляющих 17 Soons H. 1993 Преобразование координатных систем

3 Балакшин Б.С, 1957 Размерные цепи 18 ChenJ. 1993 ,199 6 Кинематика твердого тела, нейронные сети

4 Проников АС. 1971 Вероятностная модель изменения точности во времени 19 Ferreira P.M. 1994 Кинематика твердого тела (квазистатическая) и преобразование координатных систем

5 Schultchik R. 1977 Векторный анализ объемной точности 20 Naka-zawaH. 1994 Принципы прецизионного проектирования на основе независимых функций и состояний

6 Базров Б.М. 1978 Метод координатных систем с деформируемыми связями 21 Spaan H A M. 1995 Коодинатные реобразования. Программный метод компенсации.

7 Donaldson R. 1980 Анализ составляющих погрешностей 22 Hong, Ehmann 1995 Система поверхностных форм

8 Knapp W. 1983,1 998 Статистические методы, методы повышения геометрической точности 23 YangH. 1996 Нейронные сети

9 Weck M. 1984 Методология точности станков 24 NU 1997 Преобразование координатных систем, авто регрессионный анализ

10 Решетов Д.Н., Порт-ман В.Т. 1986 Вариационный метод расчета точности станков 25 YangH, Lee 1998 Нейронные сети + система измерения и контроля

И Schellekens P.H.J 1986 Моделирование точностного поведения станков 26 Wang et al. 1998 Теория Грей систем

12 Donmez M. 1986 Преобразование форм соединительных элементов 27 Okafor A.C.,Ert ekin Y.M. 2000 Кинематика твердого тела

13 Theuws 1991 Преобразование координатных систем 28 Mize, Zeigen 2000 Нейронные сети

14 Slocum А. 1992 Однородные преобразования координатных систем 29 Ramesh R. 2000 ,200 2 Нейронные и Байесовские сети

15 Soons J. А. 1992 Термо-мехаиический анализ квазистационарного состояния 30 WangC, Svoboda O, Bach P, Liotto G. 2004 Объемные ошибки не твердого (Nonrigid) тела при диагональном методе их описания

Методы оценки температурных полей и тепловых деформаций

металлорежущих станков Таблица 2.

N п/п Автор(ы) Год Концептуальная и (или) методологическая характеристика N п/п Автор(ы) Год Концептуальная и (или) методологическая характеристика

1 Соколов Ю.Н. 1958 Принципы расчета температур и температурных деформаций узлов и деталей станков на основе типовых задач теплопроводности. 9 Chen J.S. Ni J. 1993 Метод компенсации температурных деформаций станков с ЧПУ в режиме реального времени

2 Глухенький A. И., Равва Ж.С.,Пидодня B.Г. 19721976 Оценка температурных полей шпиндельных узлов и ходовых винтов аналитическими методами. 10 WeckM., McKeown P., Bonse R, Herbst U. 1995 Модальный метод снижения и компенсации тепловых деформаций станков.

3 Spur G.,Lechler G.,Heisel U. 1977 Комплексная оценка и пути снижения температурных деформаций станков. 11 Hon S. Nishiwaki N. 1998 Оценка теплового поведения методом обратной (инверсной) проводимости (импульсная аналогия)

4 ЮринВ.Н. 1981 Управление температурой и деформациями станков, применяя тепловые трубы. 12 Attia M.H. 1999 Методология оптимальной компенсации тепловыхдеформаций станков с ЧПУ в режиме реального времени

5 Хомяков B.C. Поляков А.Н. 1989 Модальный анализ температурных полей станков. 13 Поляков A.H. 2004 Оптимизация тепловых деформаций на основе систем: термодинамической) и обеспечения теплоустойчивости.

6 Bryan J.B. 1990 Методология оценки теплового поведения металлорежущих станков 15 YangH., Ni J. 2005 Моделирование теплового поведения методом нейронных сетей

7 Jedrzejewski J. 1992 Численные методы расчета температур узлов и деталей станков. Экспериментальное определение теплоотдачи деталей станков. 16 Алферов В.И. 1969, 2006 Расчет теплостойкости при проектировании металлорежущих станков.

S Soons J. A. 1992 Термо-механический анализ квазистационарного состояния 17 Zhu J.,Ni J., Shih A.J 2008 Модальный анализ теплового поведения станков

9 Chen J.S. Ni J. 1993 Метод компенсации температурных деформаций станков с ЧГГУ в режиме реального времени IS Yoshimi Ito, N.Nishiwaki,S.Hori, H.Shinno.M.F.Zaeh, T.Maier,S-K.Lee 2010 Монография «Тепловые деформации в металлорежущих станках» -влияние конструктивных параметров на нагрев, влияние стружки на нагрев, испытания, оценка (МКЭ), компенсация.

Для активного воздействия на процесс формирования технического уровня станка необходимо решать не только конкретные инженерные задачи, но и искать общие принципы и закономерности формирования теплового облика, режима, поведения и состояния станка. Негативной стороной теплового фактора является то обстоятельство, что он влияет и на такие характеристики

13

станка, как геометрические, упругие, параметры работоспособности, долговечности, т. е. на технический уровень станка в целом. Поэтому изучение закономерностей формирования и протекания тепловых процессов в металлорежущих станках, выявление основных принципов взаимодействия тепловой энергии с элементами, деталями, узлами станка и окружающей средой являются необходимой научно-методической базой теплофизического анализа станков. При этом должны быть разработаны методы структурного теплофизического анализа и синтеза станков, когда выбираются принципиальные компоновочные решения, методы параметрического теплофизического анализа и синтеза станков, когда определяются и оптимизируются параметры узлов, деталей и элементов станка, которые определяют уровень его теплового режима и теплонапряженности. Совокупность перечисленных методов, правил их применения составляет процесс управления теплофизическими параметрами металлорежущих станков, т. е. процесс обеспечения заданного уровня теплового теплового режима и теплонапряженности станка на основе известных закономерностей формирования его теплового режима, поведения и состояния, управление которыми обеспечивает повышение точности металлорежущего оборудования.

Второй раздел посвящен моделированию выходных параметров точности металлорежущего оборудования.

Рассмотрим структуру выходных параметров точности рис.1, металлорежущего станка и их взаимосвязь с выходными параметрами технологической системы, реализующей процесс обработки металлов резанием, результатом которого является изделие. Свойства изделия, формируемые в процессе осуществления технологического процесса, характеризуют качество всего технологического процесса и являются его естественным показателем. При этом технологический процесс рассматривается как последовательность или совокупность взаимосвязанных технологических состояний, позволяющих оценить показатели качества выходных параметров (например, геометрической точности), достигаемых в результате выполнения отдельных

технологических операций. Набор технологических операций оказывается удобным способом для того, чтобы описать и рассматривать как изменение начального и конечного технологического состояния, при котором и происходит изменение и преобразование показателей и параметров точности.

Рис.1. Схема показателей точности металлорежущего станка

Таким образом, технологическая система, построенная на основе металлорежущего станка, предназначена для осуществления всего технологического процесса обработки резанием либо его определенной информационно и технологически законченной части, выполняемой на одном рабочем месте, и обеспечивает формирование изделия с заданными свойствами. Как уже отмечалось, в качестве выходных параметров станка используются (и

15

понимаются) точность размеров, формы и расположения обрабатываемых деталей и по величинам их отклонений оценивается качество металлорежущего станка. С другой стороны, как было показано, под выходными параметрами технологической системы, одним из элементов которой является станок, также понимают качество и/или производительность выполняемого технологического процесса.

В этом случае под показателями качества обрабатываемых изделий, характеризующими отдельные их свойства, выступают точность размера, формы и расположения обрабатываемых поверхностей, их шероховатость и физико-механические параметры.

Поэтому для более достоверной оценки точности станков необходимо определить такие их выходные параметры, которые объективно отражают свойства станка, обусловленные его функциональным назначением, и которые могут быть рассчитаны, оценены и/или определены экспериментально. Хотя обработанная на станке деталь и концентрирует в себе свойства технологической системы и их проявление всеми ее элементами, но это не позволяет достаточно однозначно и достоверно судить о выходных параметрах каждого элемента в силу случайности их проявлений и сложных взаимосвязей между всеми элементами технологической системы.

Изделие, как материальное образование, является результатом функционирования всех элементов технологической системы, выполняющей заданный технологический процесс, и каждый элемент технологической системы (станок, инструмент, технологическая оснастка и т. д.) оказывает, обусловленные его функциональным назначением, свойствами, параметрами и происходящими физическими процессами, воздействия на формирование свойств изделия (рис. 1). В этом случае изделие выступает как интегрирующее звено всех целенаправленных воздействий и взаимодействий, направленных на достижение заданного качества, значений параметров и свойств. Поэтому интегральным выходным параметром технологической системы является изделие, свойства которого характеризуют ее качество.

Металлорежущий станок в течение всего периода выполнения заданного технологического процесса, является единственным элементом технологической системы, который постоянно формирует геометрический образ изделия. Поэтому интегральным выходным параметром металлорежущего станка целесообразно считать геометрические образы, по свойствам которого можно судить о его точности. Формирование геометрических образов осуществляется совокупностью одновременных взаимосвязанных относительных движений рабочих органов станка по управляемым координатам Х,У^)«хсоу о2 геометрической частью режущего инструмента Ч;2. Количество и характер движений рабочих органов станка обуславливают возможность воспроизведения вполне определенного набора единичных геометрических образов, которые дают представление о технологических возможностях станка в целом. Поэтому, по аналогии с формулами описания компоновок станков, формула геометрических образов будет иметь вид:

Фе=АХтохсоусог(Ч'2), (1)

А - количество(1,Н,...У1) одновременных взаимосвязанных относительных движений рабочих органов станка. Общее число геометрических образов, формируемых металлорежущими станками, будет равно 252, т.е. числу комбинаций из шести элементов. Поэтому целесообразно ввести понятие единичного геометрического образа , который определяется единственной комбинацией элементов формулы (1).

При обработке металлов резанием рабочие органы металлорежущих станков, несущие заготовку (изделие) и инструмент, совершают движения резания, необходимые для удаления материала, и формообразующие движения, предназначенные для придания изделию требуемой формы. Эти движения формообразования и резания могут совпадать или не совпадать. При их совпадении формула геометрических образов определяется выражением (1). Если движения предназначены только для снятия слоя материала, т. е. осуществляют только функцию резания, то в формуле(1), движения резания не учитываются.

По формулам единичных геометрических образов могут быть получены их соответствующие математические зависимости на основе применения аппарата аналитической геометрии, К - функций и т.п. Эти математические выражения единичных геометрических образов будут определять номинальные значения образов, а их графическое изображение будет иллюстрировать формуй вид образов.

Вид и форма геометрического образа определяется: количеством движений, взаимным расположением осей вращательных и направлений поступательных движений, характером движений и функциональной связью между ними, видом множества Ч'2.

Номинальный геометрический образ изделия Ч1, выражается через номинальные единичные геометрические образы Ч;е и определяет номинальные значения интегрального выходного параметра.

Схема формирования и механизм образования погрешностей, определяющих точность металлорежущих станков, представлен на рис.2. Изменение параметров, свойств, характеристик неподвижных и подвижных деталей и узлов, а также их функциональных связей и отношений происходят вследствие воздействия основных видов таких источников их дестабилизации как силовые и температурные, которые могут быть как постоянными, так и периодическими, случайными и систематическими, внутренними и внешними. Все это обусловливает, формирует и определяет совокупность погрешностей (параметров точности) металлорежущего станка.

Если с подвижными и неподвижными деталями и узлами станка связать соответствующие системы, определяющие и описывающие их положение и движение М„, а матрица М*1"2 определяет геометрическую часть режущего инструмента, то следующее уравнение будет описывать соответствующий единичный геометрический образ:

Ч"* = МРМ«...М{,М^М4'2, (2)

где п - количество деталей и узлов. Следовательно, погрешности единичных геометрических образов 5ше могут быть определены как наибольшая разность их номинальных (заданных) и фактических (реальных) значений:

¿т^ирИП-^и (3)

ч*

По величине этого отклонения можно судить о точности металлорежущего станка. Отклонение свойств реальных геометрических образов от их номинальных значений определяется в направлениях, перпендикулярных к ¡- й точке номинального образа. Для этого находят уравнение нормали к \ -й точке, а затем определяют разность между 1 -й точкой номинального образа и ¡-й точкой реального образа, находящейся в точке пересечения её с нормалью.

МЕТАЛЛОРЕЖУЩИЙ СТАНОК

ДЕТАЛИ И УЗЛЫ

Неподвижные

Подвижные

Параметры. Свойства, Характеристики

Геометрия, Физико- Тепло-

Форма механические физически

Рис.2. Схема образования и формирования погрешностей металлорежущего станка

Указанную процедуру отклонения свойств осуществляют по всем N единичным геометрическим образам, формируемым металлорежущим станком, по каждому ] - му свойству. Тогда интегральный показатель точности станка по ] - му свойству будет равен:

5ше]=тах(6т^)м (4)

Следовательно, вероятность безотказной работы металлорежущего станка по ] - му свойству единичного геометрического образа при нормальном законе распределения параметров будет равна:

где 6т|,6ту - соответственно верхнее и нижнее допустимое значение отклонения] - го свойства единичного геометрического образа.

Тогда интегральный показатель надежности станка по му свойству

будет равен: Р-" = гшп(Р^).

Получено выражение характеризующее степень влияния теплового режима станка на уровень его точности:

$ = (6)

где = М8ше(Т°,т)/[6- М5ше(Х,УД.а.р.у.Р.т)] - коэффициент, характеризующий долю погрешностей станка, обусловленных нагревом, в общем балансе начальных погрешностей;

Кд =сг26те(Т0,т)/сг25ше(Х>¥,г)а,р,у,Р,т) - коэффициент, характеризующий долю случайных составляющих погрешностей станка, обусловленных нагревом, в общем балансе случайных составляющих начальных погрешностей; М5те(Х,У,г,а,|3,у,Р,т) , сг5те(Х,У,г,а,(3,у,Р,т)- математическое ожидание и среднее квадратическое отклонение погрешности единичного геометрического образа;

М5те(Т°,т), сг25ше(Т°,т) -математическое ожидание и среднее квадратическое отклонение геометрического образа, обусловленные температурными погрешностями станка.

Следовательно, анализируя (6) определяют как качественные, так и количественные значения, характеристики и параметры влияния теплового состояния станка на его точность, создавать модели управления тепловым состоянием станка, а также определяют уровень и значимость управляемых параметров.

Третий раздел посвящен теплофизическому анализу металлорежущего оборудования. Последовательность формирования показателей теплового режима и состояния как узлов и деталей металлорежущих станков, так и станка в целом может быть рассмотрена, следуя схеме рис.2.:

источник воздействия (постоянный, периодический) - тепловой (внутренний,внешний) - систематический - детали и узлы (подвижные, неподвижные) - параметры, свойства, характеристики (геометрия, форма, теплофизические) - функциональные связи и отношения (положения, движения, состояния, термоупругие) - погрешности станка - температурные.

Это, как видно из анализа взаимосвязи составляющих элементов в рассмотренной последовательности, и обусловливает многообразие теплового состояния деталей и узлов металлорежущего станка и, соответственно, особенностей механизма формирования его температурных погрешностей.

Формирование теплостойкости станка можно рассматривать как процесс преобразования структурой станка, поступающей к нему энергии. На рис. 3. приведена обобщенная схема формирования и анализа теплового режима, поведения, теплостойкости и состояния станка, на которой в последовательности их рассмотрения приведены этапы преобразования энергии вплоть до нахождения параметров и характеристик теплостойкости станка. Предлагаемый методический подход, и схема формирования теплостойкости, используются также и при рассмотрении тепловых процессов узлов, деталей и элементов станка.

Тогда, принимая во внимание вышесказанное, можно сформулировать следующие объективные свойства и характеристики металлорежущих станков по отношению к их взаимосвязи с тепловыми воздействиями.

Тепловой режим металлорежущего станка характеризует пространственно-временное изменение его температурного поля, обусловленное комплексным воздействием конструктивно-компоновочных, теплофизических и эксплуатационно-технологических факторов, состоянием технологической и окружающей среды, определяющих и изменяющих теплосодержание элементов, узлов и деталей станка.

Теплонапряженность - характеризует пространственно-временные изменения размеров, формы, состояния и взаимного относительного положения элементов, узлов и деталей станка, обусловленные его тепловым режимом.

Тепловое состояние - определяет совокупность характеристик теплового режима и теплонапряженности элементов, узлов и деталей станка.

Параметры формирующие тепловой режим

Тепловое поведение

I

Теплостойкость

Рис.3.Схема формирования и анализа теплового состояния и теплостойкости металлорежущего станка

Тепловое поведение - характеризует изменение уровня теплового режима и теплонапряженности и пространственно-временного взаимного относительного положения элементов, узлов и деталей станка при воздействии (или изменении) на один из факторов, которые обусловливают уровень теплового состояния станка.

Теплостойкость - характеризует его способность сохранять в установленных пределах заданный уровень теплового режима и пространственно-временного взаимного относительного положения элементов, узлов и деталей станка при изменении одного из факторов (параметров), обусловливающих и формирующих его тепловое состояние.

Представим теплофизическую структуру металлорежущего станка как взаимосвязанную совокупность однородных теплоактивных элементов, формирующих и определяющих пространственно-временное относительное положение инструмента и заготовки (или мест их крепления и установки).

Теплоактивным элементом будем называть такую деталь (или узел станка), которая либо сама изменяет температурные и термоупругие свойства, либо через нее передается термоупругое воздействие, что приводит к изменению начального состояния пространственно-временного температурного поля и относительного положения инструмента и заготовки. Теплоактивные элементы образуют теплофизическую структуру с помощью квазитермоста-бильных связей, которые сохраняют свои свойства при изменении теплового состояния теплоактивных элементов в заданных пределах. Следовательно, совокупность теплоактивных элементов, их взаимных связей и отношений образует пространственную теплофизическую структуру станка. С течением времени, вследствие теплового воздействия, теплоактивные элементы изменяют свои температурные и термоупругие свойства и состояния. Эти изменения во времени характеризуются функцией теплового поведения теплоактивных элементов. Совокупность элементов, их связей и функций их теплового поведения образует пространственно-временную теплофизическую структуру металлорежущего станка.

Для построения теплофизической структуры станка необходимо определить виды типовых теплоактивных элементов, квазитермостабильных связей и функций теплового поведения.

Анализ конструкций разных видов и типов металлорежущих станков позволил классифицировать (в зависимости от функционального назначения, формы, вида материала) их детали и узлы, систематизировать и сформировать 10 видов тештоактивные элементы и 12 видов квазитермостабильных связей.

Обобщенная теплофизическая структура металлорежущего станка приведена на рис.4. Количество структурных составляющих шца{квазитер-мостабильная связь С, - функция теплового поведения Г, - квазитермоста-билъная связь СН1 ) - равно числу теплоактивных элементов станка.

При нагреве станка его теплоактивные элементы изменяют свои линейные размеры на величину , а неравномерность температурного поля вызывает их угловые повороты, определяемые матрицей поворота В".

Величина относительного смещения инструмента и заготовки 8г, обставленная нагревом теплоактивных элементов станка, будет определяться раностью значений термоупругой системы станка соответственно после и до его нагрева.

Рис.4. Обобщенная теплофизическая структура металлорежущего станка

Тогда общее выражение для оценки величины и характера температурных деформаций металлорежущего станка и изменения его теплового состоя-24

ния для обобщенной теплофизической структуры станка, будет определяться выражением:

л-1 пЧЫ) п-1 11-0+1+ п-1 П-1141+

5г = Х(ПМ;)-К,-бг(0+Х(П М,)-(ВГН +КП М^-СВГУ-^-бг,0 (7)

¡=1 ¡=1 ¡=1 ¡=1 ¡=1 ¡=1

где п- число квазитермостабильных связей; \= п-1 - число теплоактивных элементов; 5г =| 8х 5у 5г 1 |т- пофешность взаимного относительного положения инструмента и детали, обусловленная температурными деформациями станка; 8г° =| 5х° 5у° 5г,° 1 |т - линейные температурные смещения теплоактивныхэлементоввместахквазитермостабильныхсвязей;

К- + =^.(1-Кпр -К0) + К0;-коэффициент относитель-

Ь J2 Зг ¡2

ного температурного смещения теплоактивного элемента в местах квазитермостабильных связей;

- ■ у _ ■'■ч» . ; - ^ч» ■; - ■ ; - Г1 Г1 I Г' Г1 •

( > . >-1л1я I 'Jвi „ ' УИ — 1~/1г ТЙ гг^ '

|рТ;(х,т)Л Х' |рт](х,х)ск

о о

8о; - зазор в квазитермостабильных связях; - предварительное напряжение теплоактивного элемента; ^, суммарная жескость теплоактивного элемента и квазитермостабильных связей, жесткости теплоактивного элемента ,квазитермостабильных связей; Ех , ^ - модуль Пуассона, площадь поперечного сечения теплоактивного элемента; Т](х,т) - функция распределения температуры теплоактивного элемента; И = Мф = М1рхМ|руМф/ ; - матрицы положений теплоактивных элементов станка; (В" ) = - Г, (I — единичная матрица);

1 -6а 12 Чх

1 ■За«

Му К 1 5ац

0 0 0 1

В" = В"хВ"уВ"г = У'2 "> '* ~_'у - матрица угловых 5а температур-

ных деформаций теплоактивных элементов станка.

Выражение (7) является обобщенной зависимостью, описывающей произвольную теплофизическую структуру металлорежущего станка, состоящую из п квазитермостабильных связей, построенных на п—1 теплоактивном элементе, и представляет собой математическое выражение обобщенной тепло-физической структуры, приведенной на рис. 4. Из этого выражения могут быть получены частные решения для всего многообразия структур (рис.2,3) в зависимости от вида квазитермостабильных связей, функции теплового поведения, геометрических размеров теплоактивных элементов, их температурного поля и других составляющих. Полученное обобщенное выражение дает возможность проводить всесторонний анализ закономерностей формирования теплового состояния и теплостойкости станка. Поэтому определение и обоснование методов, средств и параметров управления тепловым состоянием станка проводится на основании анализа зависимости (7) для выявления, анализа и исследования параметров и факторов, воздействие на которые позволит изменять теплостойкость станка с заданной точностью.

В четвертом разделе обоснованы, определены и рассмотрены критерии подобия теплового состояния деталей, узлов металлорежущих станков и соответствующие им теплоактивных элементов, проведен анализ обобщенной зависимости теплофизических структур станков.

Функции теплового поведения описывают общие закономерности изменения во времени температурного поля в твердом теле (детали, узла, элемента) или системе тел (станка) при переходе одного состояния в другое, вызываемого изменением условий нагревания или охлаждения тела. С целью обобщения выводов будем рассматривать элементы, узлы и детали станка как однородное изотропное тело произвольной конфигурации, с начальным распределением температуры Тн(Х,У,г,0) = Т(Х,У,2,0)-Тс = /(Х,У,г)

Если температура Тс окружающей среды и мощность () источников тепловыделений являются функциями времени, то для определения функции теплового поведения можно использовать выражение:

Т-ТС=[ТН-(Гсн + -> -е"" fe-'[d{Jc + / (8)

шС rJ шС

где: Tn,Tch,Qb - начальные значения температуры тела, окружающей среды и теплового потока, Тс - температура окружающей среды, С = cyV.

С практической точки зрения для деталей и узлов металлорежущих станков представляет интерес выражение (8), когда источник тепловыделения постоянно действующий и не зависит от времени, температура окружающей среды постоянна и равна начальной температуре детали (Q = Q(r) = const., Тс =Т„ =Т£(г) = const)

Т-Т = -е'т(т-^] = ДТ = ДТ (1-е~шх) (9)

шС у

где: АТу - температура в установившемся режиме, m - скорость нагревания

(охлаждения) однородного тела, равная:

aS aaS aS

m=-v(/=-\y = —v|/

cyV XV cM (10)

здесь аД,с,а, у - соответственно коэффициент теплоотдачи, теплопроводности, теплоемкости, температуропроводности, удельный вес; M,V,S -соответственно масса, объём и площадь теплоотдающей поверхности; ч* -коэффициент неравномерности температурного поля( в практических случаях, если а не стремится к бесконечности, можно принять ¥ = 1).

Анализ конструкций металлорежущих станков позволил классифицировать, в зависимости от функционального назначения, формы, вида материала, систематизировать и сформировать 11 типовых и характерных видов деталей и узлов станков, для которых получены типовые тепловые модели. Показано, что для всех тепловых моделей выражение (10) может быть представлено в форме только безразмерных критериев подобия Bi, Fo, Kg, Kgy, ц?, которые описывают их тепловое поведение:

гпт = AKg"'KgyBi FoT , (11)

где - Bi == aL / к - критерий подобия Био; Fo = ат / L2 - критерий подобия Фурье; Kg = S / L -критерий геометрического подобия характерных раз-

меров и во всех случаях определяется отношением минимального размера Б к максимальному Ь; К8У - коэффициент уточнения геометрического подобия характерных размеров; А - значение от 1 до 4 и зависит от формы поверхности детали.

Исходя из критериев подобия, можно говорить, что тепловое поведение двух узлов или деталей 1 и 2 металлорежущего станка будет подобно и аналогично тогда и только тогда, когда будет выполняться равенство:

А^-'К/В!, Ро,«Р, = А2Кв2-,Кв2уВ12 Ро2Ч-2, (12)

Неравенства (13), (14) позволяют оценить характер и степень взаимного теплового поведения деталей и узлов металлорежущих станков, а также осуществить параметрический анализ составляющих критериев подобия.

А1К*в11К81В'1р01Ч,1 > , (13)

А^К^В^о^ <

А^^К^В^о^-АгК^К^Ро^^ 0 (14)

Время температурной стабилизации для рассматриваемой детали или узла может быть определяется выражением:

Ро = 4/(АК8_,КвуВ1 40, (15)

а время температурной стабилизации металлорежущего станка будет определяться максимальным временем температурной стабилизации детали или узла Х-, формирующих его теплофизическую структуру тст =шах(т;).

На основании полученных и обобщенных значений о диапазонах изменения величин критериев подобия К8"'КвуВ1 РоЧ' определены изменения параметров, определяющих скорость изменения величины нагрева (табл.3.) деталей и узлов металлорежущих станков.

Следовательно, полученные критерии подобия позволяют описывать, анализировать, сопоставлять и управлять тепловым состоянием как отдельных деталей и узлов станков, так и станка в целом на базе структурных теп-лофизических моделей, а также оценивать требуемый уровень взаимоотношения параметров, которые формируют тепловой облик станка, решать

иные задачи (в том числе и оптимизационные), обусловливающие тепловое состояние и теплостойкость металлорежущего станка.

Скорости изменения и время температурной стабилизации. Таблица 3.

Наименование материала А У В1 Ро Ю"3 гпт т°» ,[час]

Углеродистые стали 1 0,02..0,1 1... 1,2 0,04... 20 45... 55 0,09... 13 44... 0,3

2 0,02. .0,1 1... 1,2 0,04... 20 45... 55 0,18...26 22...0,15

4 0,02.. 0,1 I... 1,2 0,04... 20 45...55 0,36... 52 11..0,08

Легированные стали 1 0,02..0,1 1... 1,2 0,04... 20 28... 42 0,056... 9,9 71...0,4

2 0,02..0,1 1... 1,2 0,04... 20 28...42 ОД I... 20 36... 0,2

4 0,02..0,1 1...1,2 0,04... 20 28... 42 0,22... 40 18..0,1

Высоколегированные стали I 0,02..0,1 ¡...1,2 0,04... 20 15...30 0,03..7 133...0,6

2 0,02..0,1 1... 1,2 0,04... 20 15...30 0,06... 14 67... 0,3

4 0,02..0,1 1... 1,2 0,04... 20 15...30 0,12...28 33...0,15

Чугун I 0,02..0,1 1... 1,2 0,04... 20 40... 50 0,08... 12 50... 0,33

2 0,02..0,1 1... 1,2 0,04... 20 40...50 0,16...24 25...0,17

4 0,02..0,1 1... 1,2 0,04... 20 40... 50 0,32... 48 12,5...0.1

Анализ обобщенной структурной зависимости (7) показал, что общая совокупность функций изменения теплового состояния -взаимных относительных линейных и/или угловых смещений детали и инструмента металлорежущих станков, определяется семью видами, графики которых изображены на рис.5. Количественно каждый вид определяется и зависит от составляющих параметров, которые были рассмотрены выше. Максимальное число теплоактивных элементов (деталей и узлов станка), которые формируют линейное смещение не превышает четырех, а общее число теплоактивных эле-

ментов, составляющих теплофизическую структуру станка <13.

относительных линейных и/или угловых смещений детали и инструмента металлорежущих станков (а - расчетные, б - экспериментальные).

Схема построения функций теплового состояния. Таблица 4.

Вид функции Вид функции

1 2 3 4 5 ЛЧ 6 7

+1 -1 кг ±1 + 1 № ±1±2 ск: + 1 + 3 "СК7 ±1 + 4 ± 1 ±5 ксК ±1+6 ± 1 ±7 кги ск:

0 ±2±2 Г Г ■КГ-К: ±2+3/^ ±2±4 ±2±5Г К К к/ ±2±6^ ±2±7Г и К IV

зГ- 0 0 ±3 + 3 ±3±4 + 3 + 5 ±3±6 ±3 + 7 гьи

4Т 0 0 0 ±4±4 ±4± 5 + 4+6 ±4±7

5-5 к/ 0 0 0 0 + 5±5 кь ±5 + 6 ±5±7 ки

6 -6 г- 0 0 0 0 0 ±6+6 ±6±7 Геи И\:

7 -1 -7 0 0 0 0 0 0 + 7±7 ии

Показано, что различные варианты построения и определения вида изменений функций теплового состояния могут быть принципиально приведены к схеме согласно табл.4., а в каждом конкретном случае реальный вид функции теплового состояния будет определяется соотношением величин в конечных точках и в точках, в которых составляющие результирующей функции имеют экстремальные значения Тэ и перегибы Тп.

Тогда общее количество сочетаний видов искомых функций теплового состояния будет равно 112, а их виды, в основном, будут повторять уже полученные типовые закономерности изменения функций теплового состояния металлорежущих станков.

В пятом разделе приведены типовые тепловые модели основных теп-лоактивных элементов для различных условий их тепловых нагрузок. Получ-ны нестационарные решения как температурных полей, так и термоупругих деформаций.

Принципиальная схема (рис. 6) тепловой модели станка, его деталей и узлов, построенная с использованием данных о расположении источников теплоты в металлорежущих станках, является основой для реализации её математической модели. Как известно из теории теплопроводности, для построения математической модели необходимо четко представлять граничные условия, которые и будут определять решение основного уравнения теплопроводности. Следовательно, формирование и рассмотрение «теплового портрета» и соответствующей ему тепловой модели позволяют сформулировать необходимые граничные условия, которые отличаются большим разнообразием своего проявления при каждом практическом рассмотрении тепловой модели детали и узла станка. Например, температура может быть или не быть функцией времени; равномерно или не равномерно распределяется она по поверхности; мощность или тепловой поток может быть постоянным или переменным, подвижным или неподвижным, плоским, объёмным и т. п. Очевидно, всё это приводит к большому разнообразию решаемых задач и будет зависеть от уровня и степени детализации тепловой модели.

Источник тепловыделения

Неподвижный Подвижный

Я о 2 ° 5

I § I £ й §

Объёмный

Внешние

Плоский Линейный Точечный

Процесс резания

Внутренние

ВШЭ

Температура

Мощность.

топовой

ПОТОК

Детали п утлы металлорежущих станков

Стоки (передача) энергии

Естественные

Искусственные

Теплопроводность Конвективная теплоотдача теплоотдача излучением

Тепловой облик (портрет)

Тепловая модель

Рис.6. Схема и последовательность формирования и построения тепловой модели металлорежущих станков.

Например, в качестве тепловой модели шпиндельного узла принят цилиндр конечной длины Ь, на боковых поверхностях которого происходит теплообмен с окружающей средой с коэффициентом теплообмена, равным а, тепло к цилиндру поступает через торцовые поверхности в местах крепления подшипников. При этом принимаются следующие допущения:

- задача рассматривается как одномерная, и температура изменяется только по длине цилиндра, а по каждому сечению она принимается неизменной и независит от радиуса и угла;

- теплофизические параметры (коэффициенты теплоотдачи, теплопроводности и теплоемкости) не являются функциями температуры, коор-

динат и времени, причем теплоотдачей с боковых торцовых поверхностей можно пренебречь вследствие малой величины их по отношению к боковой поверхности цилиндра.

Вследствие принятых допущений такая тепловая модель не является полностью идентичной реальному шпиндельному узлу. Однако для того, чтобы тепловые процессы были подобны, следует подобрать такие определяющие размеры цилиндра, чтобы критерии подобия Био и Фурье были равными и для тепловой модели, и для реальной конструкции шпинделя. Если принять длины тепловой модели и шпинделя одинаковыми, то из равенства критериев Био или Фурье можно найти диаметр цилиндра тепловой модели:

МЕ^нд/Ем+Е^), (16)

где /, у - количества сечений шпинделя одинаковых внешнего или внутреннего диаметра;

, - соответственно внешний и внутренний диаметр;

- длины сечения с одинаковым внешним или внутренним диаметром; (Л - диаметр цилиндра тепловой модели.

Диаметр цилиндра тепловой модели также может быть определен из приближенной зависимости:

Для шпиндельного узла критерий Bi « 1 и приблизительно (для среднестатистического шпиндельного узла) равен: В, = ас! / X = 10 * 0,08 / 40 = 0,02. Поэтому задачу можно рассматривать как одномерную, а температурный перепад внутри цилиндра имеет по его диаметру весьма малую величину. Для определения нестационарного (т.е. изменяющегося во времени и пространстве) температурного поля такой тепловой модели необходимо решить уравнение теплопроводности с граничными условиями второго рода:

д2Т/дх.2-т2Т = а-сГТ/дг, ЯТ/дх |х=0 = -Я,/Б• Л;<ЭТ/Эх = /¥-Х;Т{х,х) 1^ = 1. (18)

где Р - площадь поперечного сечения цилиндра;

величины теплового потока в задней и передней опорах; а = су / X - коэффициент обратный коэффициенту температуропроводности а (с- удельная теплоёмкость,у - удельный вес материала, 1 - теплопроводность материала); а - коэффициент теплоотдачи;Л- коэффициент теплопроводности; ш2 = 4а / Я<3.

Общее решение по определению нестационарного температурного поля имеет вид:

Т(х,г) =

РХл/а2л/2ь{§

Ч)

п=0 (1

+1

-М|Ч/2Ь

ег&

2л/т

- л/^Ьт

-ем>^егй

^ -Лгй

2л/т )

/ « г

м 42Ы

2Л/т

27т

Ч2

Б?1л/а2л/2Ь

12Л ) У2лН

'^егк/-^ - 42Ы) - е^егй/-^ + {2лД )

(19)

2Ь = ш2 / а = ш2а; у/ть = = т-Д = / (Ы)^ / (су) = 2,/а / (сус1);

= Тт^т = л/шЧт = л/[4а / (лс!)]ат = ^/[4а / (Ы)]ат(12 /12) = = л/[(4а12) / (Ы)](ат /12) = ^[(41 / с1)(а1 / Щэт /12) = 2^(1 / а)7в1Ро; М = -ТаГ(2п +1)1 -х] . и = л/а(2п1-х) . ш = 2л/1/(1с!)л/вТ;

5 '

М, = л/а [(2п +1)1 + х] . и, = Та [(п +1)21 - х] )

Тогда стационарное решение распределения температурного поля шпинделя определяется из выражения (19) при т—»оо и соответствует точному решению:

ц2 сЬ(шх) ч, сЬ[ш(1-х)]

Т(х) =

FX.ni 8Ь(ш1) БЯт 8Ь(т1)

(20)

На основании (19) получено также решение по определению как нестационарных, так и стационарных термоупругих деформаций.

В качестве тепловой модели для колонн станков вследствии их термосимметричности можно принять пластину толщиной 3, равной эквивалентной толщине стенки колонны, полученной из условия равенства объемов или критерия Био. Высота пластины равна Я, а ширина в. Через боковые поверхности пластины происходит теплообмен с окружающей средой с коэффициентом теплообмена, равным а.

Подвод тепла к колонне станка осуществляется от узлов и деталей привода главного движения и задается в виде температуры на ограниченной поверхности колонны в местах контакта с элементами привода или в виде источника тепла мощностью Температура фундамента задается аналогичным образом. Температуру окружающей среды принимаем равной 20"С, начальная температура колонны также равна 20"С. Тепловые модели для расчета температурного шля колонн рассматриваемых компоновок приведены на рис. 7.

Математическую модель наиболее характерной и общей тепловой модели (рис. 9) можно записать в виде уравнения теплопроводности с граничными условиями первого рода. Для рассматриваемых условий теплообмена уравнение теплопроводности имеет вид:

д2т д2т 1 дт 2а _ ч . .

— + — = -• — + —-Г Т(х,у,г) = 0приг = 0;

дх оу а ох Ад

Г(х,д>,г) = 0 прих = 0 Т(х,у,г) = 0прих=В,0<у<#1; Т(х,у,г) = /2 (г)прих = В,Н, <^<Я2 ;Т(х,у,г) = /3 (г)приу = Н, Т (х, у, г) = 0 при х = В, Н2 < у < Я; Т(х,у,г) = /; (г) при у = 0; где у, (г), /, (г),/3 (г)- произвольные функции координат и времени.

Получено общее решения для различных вариантов граничных условий. Множество частных решений для возможного спектра сочетаний граничных условий приводятся в виде таблиц, пригодных для инженерного применения.

шит

41 Ф,

Схемы для расчета температурного поля колонны

Тепловая модель колонны станка

Рис.7. Тепловые модели для расчета температурного поля колонн

Таким образом, совокупность исследований и решений разделов 2-5 позволяет проводить комплекс работ по созданию систем управления тепловым состоянием металлорежущего оборудования.

В шестой разделе приведены предлагаемые автоматизированные системы управления тепловым состоянием металлорежущего оборудования, обоснованы методы воздействия, на формирующие их параметры. Тепловые деформации станка вызывают отклонения относительного движения инструмента и и заготовки (от идеального), являющиеся конечными звеньями, как в цепи формообразования, так и в координатной термоупругой структуре станка. Погрешность, вызываемая тепловыми смещениями узлов и деталей станка, пропорциональна функциям их теплового состояния.

Следовательно, зная функции теплового состояния, можно достаточно легко определить величину теплового смещения рабочих органов, несущих соответственно инструмент и заготовку. После этого необходимо осуществить смещение рабочих органов в направлении полученных тепловых де-36

формаций и тем самым компенсировать возникшее рассогласование в требуемом и фактическом относительном положении инструмента и заготовки. Обобщенная схема механизма управления температурой нагрева и температурными деформациями узлов, деталей и металлорежущего станка показана на рис.8.

Рис.8. Обобщенная схема управления тепловым состоянием и точностью металлорежущих станков.

Таким образом, для решения рассматриваемой задачи автором предложены два принципиально новых класса системы управления тепловым состоянием металлорежущего оборудования для повышения его точности, которые базируются на предложенных и обоснованных закономерностях и критериях подобия теплового поведения:

1. Структурные систем управления тепловым состоянием:

- структурный метод управления путем уменьшение количества структурных теплоактивных элементов;

- структурный метод управления путем изменения положения структурных теплоактивных элементов;

- структурный метод управления путем внесения избыточных квази-термостабшьных связей (увеличение количества квазитермостабильных связей);

- структурный метод управления путем изменения положения квази-термостабильной связи;

- структурный метод управления путем изменения состояния квази-термостабильной связи;

2. Программные автоматизированные системы управления тепловым состоянием:

- программные системы управления положением теплоактивных элементов и их квазитермостабильных связей;

- программные системы управления состоянием (температурным и/или термоупруггш) теплоактивных элементов и/или квазитермостабиль-ных связей.

Анализ разнообразных методов воздействия на тепловое состояние и теплостойкость металлорежущих станков, их деталей, элементов и узлов позволил их систематизировать и классифицировать - рис.9. При этом во внимание принимались не столько конкретные решения, позволившие добиться положительного эффекта в каждом конкретном станке, узле, детали, сколько наиболее общие принципы, лежащие в основе рассматриваемых методов, которые базировались на обобщенной зависимости (7), описывающей произвольную теплофизическую структуру металлорежущего станка, критериях

Методы воздействия на теплостойкость металлорежущих станков

ло характеру

воздействия

иа параметры

ограничения

снижения

компенсации

управления

по виду факторов оозде, ствия

компоновочные конструктивные технологические теплофи-зические термомеханические эксплуатационные

по способу воздействий

непосредственные

косвенные

параметры

температура

возд£й.с1аиа_,

термоупругие деформации (смещения)

мета лл оре жу щи и стано к

розд^ир-дия

элементы

механизмы

устройства

вид воздействия

изменение положения изменение состояния

Рис.9. Классификация методов воздействия на уровень теплового состояния металлорежущих станков

теплового подобия его деталей и узлов (11-14), функциях теплового поведения (8). В свою очередь каждая группа методов разделена по общности решений. Так, например, группа методов по характеру воздействия на параметры классифицирована на методы: ограничения, снижения, компенсации, управления параметрами воздействия. По виду факторов воздействия методы подразделяются на компоновочные, конструктивные, технологические, теп-лофизические, термомеханические, эксплуатационные.. Во всех случаях воздействия на тепловое состояние станка, управляемыми параметрами являются температура и/или термоупругие деформации (смещения) элементов, деталей, узлов, механизмов и устройств станка. Причем воздействие на эти параметры может быть непосредственное или косвенное.

Методы ограничения прежде всего связаны с ограничением воздействия источников тепловыделений на наиболее теплоактивные элементы станка. Методы снижения направлены на уменьшение температуры нагрева и/или термоупругих смещений. Методы компенсации обеспечивают изменение взаимного относительного положения узлов и деталей станка (наиболее часто инструмента и заготовки) на основании полученных данных (косвенных или непосредственных) о температуре нагрева и/или термоупругих деформаций станка. Методы управления основаны на разработке систем, обеспечивающих поддержание заданного уровня нагрева узлов и деталей станка или взаимного относительного положения теплоактивных элементов станка. Для этого применяют системы, базирующиеся:

- на измерении температуры станка (деталей, узлов), по величине которой изменяют положение рабочих органов ;

- на измерении температуры станка и/или иного фактора, косвенно характеризующего уровень деформаций (например, потери мощности, частота вращения;

- на измерении температуры и сравнении ее с эталонной и/или математической моделью тепловых деформаций станка ;

- на измерении факторов, косвенно характеризующих тепловые деформации;

- на измерении линейных смещений узлов станка;

- на закономерностях и функциях изменения теплового состояния.

Из описанных систем управления видно, что применение системы управления по закономерностям и функциям изменения теплового состояния не требует внешней информации, а используется только внутренняя информация системы, например время работы металлорежущего оборудования, частота вращения, скорость и величина перемещения и т.п., которая по заданному алгоритму преобразования постоянно или периодически обеспечивает стабильное взаимное относительное положение рабочих органов, которые формируют и определяют заданную точность. Создание таких автоматизированных систем управления возможно только для оборудования с ЧПУ достаточно высокого уровня. В настоящее время устройства ЧПУ требуемого уровня применяются практически всеми компаниями, производящими металлорежущее оборудования.

В качестве примера одного из вариантов автоматизированных систем управления тепловым состоянием станка, на рис. 10,а. показана схема, иллюстрирующая применение предлагаемой системы управления тепловым состоянием металлорежущего станка с ЧПУ, для которого определены типовые функции изменения тепловых смещений для различных частот вращения шпинделя при нагреве и охлаждении станка.

Рассмотрим процесс автоматической компенсации тепловых смещений шпинделя при обработке одной детали с момента включения станка на частотах вращения шпинделя п,,п2,п3 соответственно в течение времени

^ДзДз ;охлаждении станка при переключении частот вращения шпинделя и смене инструмента со временем ^ и и при съеме готовой детали и установке заготовки со временем 1:6.

Автоматическая компенсация тепловых смещений шпинделя производится периодически через установленную для каждой управляемой оси координат величину А; как при нагреве, так и при охлаждении станка. (Величина А( устанавливается исходя из требуемой точности обработки). 40

1*1 2» г _ Г*

] г г

1 . 1

и С си

/ П I г и.

1 1 3 ! € 1 8 )

т[ч«]

в)

Рис.10. Принципиальная схема управления тепловым состоянием -а), блок схема реализации УЧПУ - б), результаты испытания -в).

При пуске станка и начале обработки детали с частотой вращения шпинделя п, тепловые деформации шпинделя изменяются по типовой функции 1 (рис. 10,а). При достижении величины тепловых смещений, равной , производится их компенсация путем соответствующего смещения рабочего органа станка в заданном направлении. Через время I:, происходит переключение частоты вращения шпинделя на п2, при которой тепловые смещения шпинделя будут уже изменяться по типовой функции 2. В период смены частот вращения шпиндель не вращается и происходит охлаждение станка по типовой функции 4. При работе станка на частоте п2 происходит дальнейшее тепловое смещение шпинделя по типовой функции 2 и при достижении

41

величины этого смещения, равного Д), также осуществляется компенсация смещения. Аналогично производится автоматическая компенсация при работе на частоте вращения шпинделя п3, когда тепловое смещение шпинделя происходит по типовой функции 3.

При съёме готовой детали и установке новой шпиндель не вращается и происходит охлаждение станка и смещение шпинделя по типовой функции 4 в течение времени 1:6. При смещении шпинделя из-за охлаждения станка на величину А; производится компенсация этого смещения путем перемещения рабочего органа на величину Дi в обратном направлении. При дальнейшей работе станка (охлаждении) компенсация тепловых смещений шпинделя происходит аналогичным образом по описанной схеме.

Устройство (рис. 10,6), реализующее описанный выше метод автоматической компенсации температурных смещений шпинделя станка, состоит из блока декодирования частот вращения шпинделя, блока задания типовых функций изменения теплового состояния шпинделя по управляемым координатам, блока задания и управления величиной шага требуемой коррекции по управляемым координатам металлорежущего станка и блока определения времени работы станка на данной частоте вращения шпинделя и времени отсутствия вращения шпинделя, когда происходит охлаждение станка.

Устройство автоматической компенсации тепловых смещений шпинделя металлорежущих станков работает следующим образом. Информация о частоте вращения шпинделя, введенная в устройство ЧПУ, декодируется и передается в оперативную память, куда также поступает информация о времени вращения шпинделя на данной частоте. На основе этих данных выбираются предварительно определенные и заданные типовые функции теплового смещения шпинделя, характерные для данного металлорежущего станка, по соответствующим осям координат. По этой информации и в соответствии с типовыми функциями определяются величины смещения шпинделя по каждому координатному направлению через малые и равные промежутки вре-42

мени . Получаемые таким образом значения величин тепловых смещений шпинделя сравнивают с величиной шага требуемой коррекции, который устанавливается по каждой оси координат. При достижении величины теплового смещения шпинделя, равной требуемому шагу коррекции, подается сигнал на осуществление дополнительного смещения рабочих органов, что обеспечивает постоянное сохранение их взаимного относительного положения. Результат испытаний описанной системы управления приведен на рис. 10,в. По многим типовым видам построения автоматизированных систем управления тепловым состоянием в работе даны соответствующие примеры базовых методов и схем их создания.

Общие выводы и результаты:

1. Решена проблема управления тепловым состоянием металлорежущего оборудования для повышения его точности на основе разработки методов и средств создания для этого автоматизированных систем, что имеет народнохозяйственное значение повышения эффективности производства, обусловленное ростом масштабов работ по интенсификации и компьютеризации технологического производства и его комплексной автоматизации.

2. Установлены связи между показателями точности металлорежущего оборудования и погрешностями деталей, узлов и подсистем, обусловленных действием тепловых, упругих, геометрических, кинематических, динамических факторов, что позволяет определять направления эффективного управления ими для повышения точностных характеристик оборудования.

3. Разработана обобщенная схема построения и анализа функциональных и структурных моделей металлорежущего оборудования, обусловленные воздействия систематических и случайных, силовых и температурных источников постоянного и периодического действия, которые определяют изменение его точностных характеристик и позволяют формировать методы управления ими на основе создания и разработки математического и программного обеспечения С АО/С А М/С АЕ систем ИПИ - технологии.

4. Предложена модель формирования, построения и теплофизического анализа металлорежущего оборудования, а также его температурного режима и функций поведения на основе теплоактивных элементов с квазитермоста-бильными связями, позволившая:

- доказательно описать процесс формирования закономерностей теплового поведения металлорежущего оборудования и обосновать выбор параметров управления его теплового поведением;

- обосновать и получить критерии подобия теплового поведения деталей и узлов металлорежущего оборудования, обеспечивающие информационную и программную интеграцию систем управления тепловым поведением металлорежущего оборудования различного технологического назначения;

- получить решения по определению температурного режима типовых элементов, деталей и узлов металлорежущего оборудования для различных условий их тепловых нагрузок и теплонапряженности, которые позволили создать методики построения и анализа теплового состояния деталей и узлов.

5. Разработаны методы автоматизации испытаний, контроля и диагностики температурного режима и теплового поведения как нового, так и эксплуатирующегося металлорежущего оборудования, позволяющие снизить время проведения испытания и контроля, а также повысить эффективность диагностики и оценки его теплового состояния.

6. Разработаны методы создания и построения автоматизированных систем управления тепловым состоянием металлорежущего оборудования для повышения его точности, позволяющие осуществлять их программно-аппаратную реализацию в существующей информационной среде предприятия и рекомендовать их применение на машиностроительных предприятиях и предприятиях изготовителях металлорежущего оборудования, а также в учебном процессе по направлениям 151900 «Конструкторско-техноло-гическое обеспечение машиностроительных производств», 220700 «Автоматизация технологических процессов и производств».

СПИСОК ОПУБЛИКОВАННЫХ РАБОТ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Статьи, опубликованные в периодических изданиях, рекомендованные

ВАК РФ:

1. Кузнецов А.П., Уколов М.С. Исследование динамики формирования тепловых деформаций металлорежущих станков с ЧПУ. - М.: Известия ВУЗов. Машиностроение, 1978, №4 ,-с.168-173.

2. Стародубов B.C., Кузнецов А.П. Тепловые деформации базовых деталей металлорежущих станков. -М.: Известия ВУЗов. Машиностроение, 1978, №12.-с. 143-148.

3. Кузнецов А.П., Уколов М.С. Влияние тепловых деформаций на уровень технологической надежности станков- М.: Известия ВУЗов. Машиностроение, 1979, №2, - с.134—137.

4. Стародубов B.C., Кузнецов А.П. Влияние тепловых деформаций станков с ЧПУ на точность обработки. - М.: Машиностроитель, 1979, №3- с. 19-21.

5. Кузнецов А.П. Расчет и прогнозирование вероятности изменения точности станков вследствие тепловых деформаций. - В кн. Надежность и эффективность станков автоматов,- М., МВТУ, 1980 - с.45-54.

6. Кузнецов А.П., Уколов М.С. Оценка надежности станков с ЧПУ - М.: Надежность и контроль качества, 1980, №2 - с.32-43.

7. Стародубов B.C., Кузнецов А.П. Тепловые деформации узлов станка с ЧПУ и их влияние на точность обработки. - Труды МИНХ и ГП, вып. 160,1981,- с. 101-115.

8. Кузнецов А.П. Инженерный метод оценки температуры нагрева шпиндельных узлов. - М., Труды МВТУ №379. Методы исследования станков. 1982, №2, с.30-38.

9. Кузнецов А.П., Горбунов В.П. Оценка влияния теплового режима станков с ЧПУ на точность обработки._ М., Надежность и контроль качества, 1982,№2 .-с.30-38.

10. Кузнецов А.П. Тепловое поведение металлорежущих станков различных компоновок. - Вестник МГТУ «Станкин» №2(10),2010, М.: МГТУ «Стан-кин», 2010 - с.62-65.

11. Кузнецов А.П. Вероятностная оценка точности металлорежущих станков при повторно-переменном тепловом режиме- Вестник МГТУ «Станкин» №3(14),2011, М.: МГТУ «Станкин», 2011,-с. 194-200.

12. Кузнецов А.П. Критерии подобия теплового поведения деталей и узлов металлорежущих станков. - М.: Вестник машиностроения, 2011, №4. -с.57-62.

13. Кузнецов А.П., Косов М.Г. Теплостойкость и быстроходность шпиндельных узлов металлорежущих станков. - Вестник МГТУ «Станкин» №2(14),2011, М.: МГТУ «Станкин», 2011.- с.62-65.

14. Кузнецов А.П., Косов М.Г. Структурный теплофизический анализ металлорежущих станков. - М.: СТИН, 2011 ,№3. - с. 13 - 21.

15. Кузнецов А.П. Закономерности теплового поведения металлорежущих станков. - М.: Вестник машиностроения, 2011, №10. - с.59-66.

Научные монографии:

1. Кузнецов А.П. Методы оценки тепловых деформаций металлорежущих станков и пути их снижения,- М., НИИмаш, 1983. - 68с.

2. Кузнецов А.П. Методы оценки и контроля качества металлорежущих станков с ЧПУ. - М.,ВНИИТЭМР.1985.- 68с.

3. Кузнецов А.П., Бельзецкий А.И. Пути повышения быстроходности узлов для высокоскоростной обработки. М. - ВНИИТЭМР, 1985,- 52с.

4. Кузнецов А.П., Иванов М.Г. Методы воздействия на теплостойкость станков. - М., ВНИИТЭМР., 1986. - 60с.

5. Кузнецов А.П., Косов М.Г., Гуревич Ю.Е. Температурные расчеты шпиндельных узлов металлорежущих станков,- М.: Янус-К, 2010 - 160с.

6. Кузнецов А.П. Тепловое поведение и точность металлорежущих станков. -М.:Янус-К, 2011.-256 с.

Учебники:

1. Крахин О.И., Кузнецов А.П., Косов М.Г. Сплавы с памятью. Технология и применение. - Старый Оскол.: ТНТ, 2011. - 332 с.

2. Крахин О.И., Кузнецов А.П., Косов М.Г. Сплавы с памятью. Основы проектирования конструкций. - Старый Оскол.: ТНТ, 2011. - 396 с. Патенты на изобретение и авторские свидетельства:

1. A.C. №998092. Способ контроля температур и тепловых деформаций металлорежущих станков и устройство для его осуществления./ Стародубов B.C., Кузнецов А.П., Нифагин С.Д. - БИ, 1983, №7.

2. A.C. № 1041226. Способ автоматической компенсации тепловых смещений шпинделя металлорежущего станка. /Кузнецов А.П., Стародубов B.C.-БИ,1983,№34.

3. Патент РФ №1696298. Приводное устройство. Крахин О.И., Кузнецов А.П., Косов М.Г. опубл.07.12.1991г.

4. A.C., №1653905, Зажимное устройство. Кузнецов А.П. и др., опубл., 08.02.1991.

5. A.C. №1649198, Манжетное уплотнение./ Кузнецов А.П. и др. опубл., 15.01.1991.

6. Патент РФ №2015413, Привод линейных перемещений./Кузнецов А.П. и

др., опубл.30.06.1994г.

Нормативно-технические издания:

1. Методические указания. Надежность в технике. Технологические системы. Расчет и оценка показателей параметрической надежности технологического оборудования с ЧПУ. - М.: ВНИИНМАШ ГОССТАНДАРТ СССР, 1980.:-114с.

2. Методические рекомендации. МРЗЗ-81. Надежность в технике. Технологические системы. Расчет и оценка показателей параметрической надежности технологического оборудования с ЧПУ. / Проников A.C., Староду-бов B.C., Кузнецов А.П.-М., ВНИИНмаш, 1981,- 110с.

Научные публикации:

1. Стародубов B.C., Кузнецов А.П. Метод ускоренной оценки тепловых деформаций при контрольных испытаниях металлорежущих станков - В кн.: Ремонт и надежность технологического оборудования,- М.:МДНТП, 1979.-с. 87-98.

2. Кузнецов А.П. и др. Оценка температурных полей рабочих органов типа шпиндельных головок металлорежущих станков. - В сб. Прогрессивные металлорежущие станки и технологические процессы. - Ереван. Айа-стан.,1982, вып.4 - с.40-47.

3. Крахин О.И., Кузнецов А.П., Косов М.Г. Материалы с термомеханической памятью в станкостроении - М., ВНИИТЭМР., 1988. - 54с.

4. Кузнецов А.П., Гришин В.В. Оценка технического уровня промышленных роботов. - М., ВНИИТЭМР, 1990. - 54с.

5. Кузнецов А.П., Экарев М.С. Гибкие производственные системы заготовительных производств. - М., ВНИИТЭМР, 1989. - 112 с.

6. Кузнецов А.П., Ткачева О.Н. Современные системы автоматизированного проектирования технологических процессов в машиностроении. -М.,НИИмаш, 1984. -72с.

7. Кузнецов А.П. и др. Современные компоновочные решения шпиндельных узлов металлорежущих станков с ЧПУ. - М., ВНИИТЭМР, 1988. - 132 с.

8. Кузнецов А.П. и др. Гибкие производственные системы. Каталог. - М., ВНИИТЭМР. - 180с.

9. Кузнецов А.П. и др. Технико-экономические проблемы создания ГПС-М.:ВНИИТЭМР,1987 - 68с.

10. Косов М.Г., Гуревич Ю.Е., Салдадзе А.Д., Кузнецов А.П. Контактные задачи цилиндрических соединений деталей машин. - М.: Янус-К, 2010 -136с.

И. Крахин О.И., Кузнецов А.П. Сплавы с памятью и их применение в технике- М.: Янус-К, 2010 - 212с.

12. Крахин О.И., Кузнецов А.П. Расчеты конструкций из сплавов с памятью. -М.: Янус-К, 2011.-308 с.

13. Косов М.Г., Кузнецов А.П., Соболев А.Н. Нетвердотельное проектирование. Принципы. Методы. Применение. - М.: Янус-К, 2010 - 276с.

14. Косов М.Г., Кузнецов А.П., Салдадзе А.Д. Оценка точности технологического оборудования с учетом жесткостных характеристик. - М.:МГТУ «Станкин»/Машиностроение - традиции и инновации. Секция «Оборудование машиностроительных производств». Сборник докладов. - с.79-80.

15. Кузнецов А.П., Косов М.Г. Методы повышения теплостойкости и быстроходности шпиндельных узлов металлорежущих станков- М.: МГТУ «Станкин»/Машиностроение - традиции и инновации.Секция «Оборудование машиностроительных производств»,- Сборник докладов. - с.87-91.

16. Косов М.Г., Кузнецов А.П., Гуревич Ю.Е., Симанженков К.А., Учаев П.Н. Логика проектирования. Методы и применение в технике - М.: Янус-К, 2010.-204 с.

17. Косов М.Г., Кузнецов А.П., Салдадзе А.Д. Собственные и контактные деформации в оценке точности. Сб. научных трудов. "Современные технологии в горном машиностроении" Московский государственный горный университет. Москва, 2011. — с. 171—173.

Подписано в печать 12.10.2011

Формат 60x90'/i6 Бумага 80 гр/м2 Гарнитура Times

Объем 3,0 п.л. Тираж 100 экз. Заказ № 1632

Отпечатано в «ИПД Триальфа»,

103305, Москва, Зеленоград, проезд 4807, д.1., стр.1

Введение.

Раздел 1. Точность металлорежущих станков, их температурный режим и тепловое состояние.

1.1. Выходные показатели точности металлорежущих станков . 13.

1.2.Методы оценки и влияние теплового состояния на точность металлорежущих станков.

1.3.Методы управления тепловым состоянием металлорежущих станков.

1.4. Цели и задачи исследований.

Раздел 2. Модель формирования и оценка влияния теплового состояния на выходные параметры точности металлорежущих станков.

2.1 Выходные показатели точности металлорежущих станков.

2.2. Модель и оценка показателей точности металлорежущих станков.

2.3. Оценка влияния теплового состояния на выходные параметры точности металлорежущих станков.

Выводы.

Раздел 3. Структурный теплофизический анализ металлорежущих станков.

ЗЛ.Теплофизическая структура металлорежущих станков и её элементы.

3.2. Модели и анализ теплофизических структур металлорежущих станков.

3.3. Модели теплоактивных деталей и узлов металлорежущих станков.

Выводы.

Раздел 4. Критерии подобия и закономерности изменения теплового состояния металлорежущих станков.

4.1 .Функции теплового поведения деталей и узлов металлорежущих станков.

4.2. Критерии подобия теплового поведения деталей и узлов металлорежущих станков.

4.3.Модели и закономерности изменения теплового поведения и теплового состояния металлорежущих станков. 262.

Выводы.

Раздел 5. Тепловые модели теплоактивных деталей и узлов металлорежущих станков.

5.1. Модели и оценка температур шпиндельных узлов и ходовых винтов металлоежущих станков.

5.2. Модели и оценка температур базовых деталей и узлов металлорежущих станков.

5.3. Оценка влияния теплофизических параметров на тепловой режим деталей и узлов металлорежущих станков.

Выводы.

Раздел 6. Методы создания автоматизированых систем испытания и управления тепловым состоянием металлорежущих станков для повышения их точности.

6.1. Обоснование и классификация методов управления тепловым состоянием металлорежущих станков.

6.2. Методы автоматизации испытаний, контроля и диагностики температурного режима и теплового поведения металлорежущих станков.

6.3. Методы создания автоматизированых систем управления тепловым состоянием металлорежущих станков.

Выводы.

Растущие темпы технического прогресса в области создания новых машин обусловливают необходимость создавать и осваивать ежегодно новые конструкции (или повышения технического уровня и модификации конструкции) изделий более высокого уровня точности, качества, надежности, эффективности и производительности, а также применять новые виды материалов, обеспечивающие требуемые свойства, параметры и характеристики изделий. В связи с этим существенно возрастает роль точности металлорежущего оборудования, доля которых занимает значительный удельный вес в общем объеме машиностроительного производства, а управление ею определяет как научное, так и практическое содержание комплекса работ по повышению эффективности производств, обусловленной техническим прогрессом. Поэтому проблемам автоматизации и управления технологическими процессами и производствами отводится важнейшая роль, так как именно эти направления науки и производства непосредственно занимаются решением актуальных задач в машиностроении, которое имеет большой удельный вес в экономике страны.

В настоящее время на мировом рынке наукоемких промышленных изделий отчетливо наблюдаются три основные тенденции: повышение сложности и наукоёмкости изделий, повышение их качества и снижение ресурсоемкое™; повышение конкуренции на рынке изделий, предприятий и корпораций; развитие кооперации между участниками рынка.

Высокие требования к параметрам точности, обрабатываемым на станках изделиям, обусловливает необходимость постоянного увеличения точности самого металлорежущего оборудования. Так, для металлорежущих станков достижимая точность обработки в настоящее время находится в диапазоне 1-5 мкм, а в ближайшие 10-15 лет может быть достигнут стабильный диапазон точностей в пределах 0,1-1 мкм, что потребует значительных усилий по исследованию процессов и механизмов достижения и обеспечения точности во всем спектре проблем - от проектирования и производства станков до систем управления их состоянием при обработке изделий.

Каждому виду обработки резанием соответствует потенциальная возможность достижения предельной точности, диапазон которой находится в пределах от 0,05 мкм до 6,4 мкм, а для их достижения требования к параметрам точности металлорежущего оборудования являются предельно высокими, а к отдельным составляющим выходных параметров точности станков ещё более жесткими.

Современное состояние и тенденции развития металлорежущих станков обусловливают необходимость увеличения их энергонасыщенности, времени производительного функционирования, концентрации, выполняемых операций на одном станке, расширение функциональных возможностей, повышение скоростей и других параметров и характеристик, что требует значительного и постоянного увеличения энергетических затрат. За период 1987 -2009гг. мощность шпиндельных узлов возросла в 7-8 раз, а частота вращения только в 1,5 раза, аналогично возросли скорости перемещения рабочих органов и их мощность.

Прогресс в создании новых инструментальных материалов позволяет существенно повысить скорости резания при обработке металлов на металлорежущих станках. Основным препятствием к повышению скоростей обработки на металлорежущих станках является невозможность адекватного повышения скоростей вращения и перемещения рабочих органов станков и в первую очередь это относится к шпиндельным узлам. Создание таких быстроходных шпиндельных узлов обусловливает необходимость решения ряда остро стоящих проблем - снижение уровня тепловыделений и уровня нагрева шпиндельных узлов, которые, с одной стороны, снижают работоспособность (а часто и не позволяют с помощью традиционных методов создавать быстроходные шпиндельные узлы с требуемыми параметрами), а с другой стороны, высокая температура шпинделя вызывает термоупругие деформации станка в целом, что существенно влияет на параметры точности всего металлорежущего станка.

Подводимая к станку энергия, не затрачиваемая на его функционирование и осуществление процесса резания, преобразуется в тепловую и аккумулируется в узлах, деталях и механизмах станка, а частично рассеивается в окружающую среду.

Поэтому в общей совокупности процессов, протекающих при обработке металлов резанием, тепловой фактор играет весьма важную роль. Доля тепловых деформаций в общем балансе погрешностей обработки и точности станка тем выше, чем жестче и выше требования к точности обрабатываемых деталей.

Особую роль играют тепловые деформации в станках с ЧПУ, так как они являются более энергоёмкими, а доля машинного времени достигает 70-90%. В станках с ЧПУ до 50% энергии, подводимой к ним, рассеивается в его узлах и деталях тем самым увеличивая теплонапряженность конструкции станка, его деталей, узлов. Доля тепловых погрешностей в общем балансе точности станков с ЧПУ может достигать 30-70%, причем характер и степень их влияния неодинаковы для различных параметров точности обрабатываемых деталей.

Негативной стороной теплового фактора является также и то обстоятельство, что он ограничивает повышение скоростей перемещения (вращения) рабочих органов станка - шпиндельных узлов и приводов подач. Помимо перечисленных воздействий, тепловой режим станка влияет и на такие характеристики станка, как геометрические, упругие, параметры работоспособности, долговечности, т. е. на технический уровень станка в целом.

Способность станка противостоять (сопротивляться) тепловым воздействиям характеризует его теплостойкость. Численно величина теплостойкости может быть выражена в единицах температуры, когда речь идет об уровне нагрева, или в единицах смещений (линейных или угловых), когда речь идет об уровне деформаций и взаимных относительных изменений положения узлов и деталей станка.

Все это позволило разработать большое количество самых разнообразных методов воздействия на теплостойкость металлорежущих станков, базирующихся на глубоком анализе тепловых процессов, протекающих в станках при их работе. Области применения и эффективность методов воздействий на теплостойкость различны, так же как разнообразны способы и средства реализующие их.

Экспериментальные исследования температурных полей, тепловых деформаций станка и его точности необходимы для определения и оценки реальных и фактических величин его точностного и теплового состояния. Кроме этого, экспериментальная оценка всего комплекса параметров, которые определяют и формируют тепловое состояние деталей, узлов и станка в целом, является материально, экономически и физически сложной задачей, анализ результатов которой также представляет собой значительные трудности.

Поэтому необходимо как качественно, так и количественно оценивать ожидаемое тепловое состояние металлорежущего станка, определять характер этого состояния во время его работы, что позволит как при проектировании, так и при эксплуатации станка принимать эффективные решения по компенсации, коррекции и управлению тепловым состоянием станка и его точностью.

Следовательно, требуемый достаточно высокий уровень достижения точности металлообрабатывающего оборудования обусловливает и определяет необходимость не только глубокого изучения причин и методов формирования точности и их констатации, но и нацеливает на разработку методов и средств создания систем управления как теплового состояния, так и обеспечения высокого уровня точности данного класса оборудования.

Изложенное указывает на актуальность темы диссертации, посвященной повышению точности металлорежущего оборудования на основе методов и средств создания автоматизированных систем управления его тепловым состоянием, построению моделей формирования точности, методам обеспечения их заданного уровня, а также разработке способов, методов и средств испытаний, контроля и диагностики.

Целью диссертационного исследования является разработка методов и средств создания автоматизированных систем управления тепловым состоянием металлорежущего оборудования для повышения его точности.

Задачами исследования являются:

- обоснование возможности обеспечения требуемого уровня точности на основе управления её функциональными системами;

- исследование выходных параметров точности металлорежущего оборудования и определение закономерностей формирование их отдельных составляющих: геометрических, кинематических, упругих, динамических, тепловых и др., обусловливающих и обеспечивающих достижение требуемого уровня точности обрабатываемых изделий;

- оценка уровня значимости факторов при обосновании выбора вида системы управления выходными параметрами точности металлорежущего оборудования;

- разработка критериев подобия оценки теплового состояния деталей и узлов различных видов металлорежущего оборудования;

- разработка моделей и методов анализа и синтеза параметров деталей, узлов и механизмов металлорежущего оборудования, которые обусловливают и определяют его тепловое состояние и уровень выходной точности при формировании системы управления ими; разработка и обоснование методов построения системы управления тепловым состоянием металлорежущего оборудования, разработка их математических моделей, создание типовых видов и структурных компонентов, формирующих системы управления тепловым состоянием металлорежущего оборудования для повышения его точности.

Научная новизна результатов работы:

1. Установлены связи между показателями точности металлорежущего оборудования и погрешностями отдельных деталей, узлов и подсистем, вызываемых действием тепловых, упругих, геометрических, кинематических, динамических факторов, обусловливающих достижение требуемого уровня точности обрабатываемых изделий и определяющих наиболее важные направления управления ими при их создании и эксплуатации.

2. Разработаны методы формирования и оценки показателей точности металлообрабатывающего оборудования и технологических систем как процесс взаимосвязанного изменения информационного, геометрического и технологического образов.

3. Разработана обобщенная схема построения и анализа функциональных и структурных моделей металлорежущего оборудования, которые в соответствии с осуществляемыми функциями деталей и узлов, их функциональными связями и отношениями формируют и обусловливают изменение точностных характеристик металлорежущего оборудования.

4. Предложена модель формирования, построения и теплофизического анализа металлорежущего оборудования и его теплового состояния на основе теплоактивных элементов и их квазитермостабильных связей, функции теплового поведения которых обусловливают и определяют закономерности и виды теплового состояния металлорежущего оборудования.

5. Обоснованы, систематизированы и получены критерии подобия теплового состояния теплоактивных элементов, теплонагруженных деталей и узлов металлорежущего оборудования. Даны их виды, классификация, параметры и характеристика.

6. Получены, обоснованы и экспериментально подтверждены типовые закономерности изменения теплового состояния металлорежущего оборудования. Дана их классификация, условия формирования, вид и характер изменения во времени. Приведена их обобщенная зависимость и дана оценка параметров, которые обусловливают тепловое состояние металлорежущего оборудования.

7. Разработаны тепловые модели и получены решения по определению температурного режима типовых теплоактивных элементов, деталей и узлов металлорежущего оборудования для различных условий их тепловых нагрузок и теплонапряженности.

8.Разработан метод испытаний, контроля и диагностики температурного режима и теплового состояния металлорежущего оборудования.

9. Разработаны методы и средства создания и построения автоматизированных систем управления тепловым состоянием и точностью металлорежущего оборудования. Получена оценка уровня значимости факторов при обосновании выбора структуры и вида системы управления выходными параметрами точности металлорежущего оборудования.

Ю.Разработаны алгоритмы управлением тепловым состоянием металлорежущего оборудования, приведена их программная и аппаратная реализация.

11. Создана методология и приведено базовое информационное и программное обеспечение для управления тепловым состоянием и повышения точности металлорежущего оборудования в существующей информационной среде предприятия.

Практическая ценность работы:

1. Разработана методика оценки показателей точности и надежности металлообрабатывающего оборудования и технологических систем (Методические рекомендации. МРЗЗ-81. Надежность в технике. Технологические системы. Расчет и оценка показателей параметрической надежности технологического оборудования с ЧПУ- М., ВНИИНмаш Госстандарт, 1981г.).

2. Разработана методика построения и анализа функциональных и структурных моделей металлорежущего оборудования и нестационарного изменения свойств и характеристик их выходных параметров точности.

3. Предложены практические рекомендации по сопоставлению и оценке деталей и узлов металлорежущего оборудования по критерию подобия их теплового состояния.

4. Разработана методика создания и построения систем управления тепловым состоянием для повышения точности металлорежущего оборудования.

5.Разработан способ автоматической компенсации тепловых смещений шпинделя металлорежущего станка (A.c. № 1041226).

6.Разработан способ контроля температур и тепловых деформаций металлорежущих станков и устройство для его осуществления (A.C. №998092).

7.Разработаны способы управления теплоактивными элементами (Патент РФ №2015413, Патент РФ №1696298, A.C., №1653905,. A.C. №1649198).

Апробация работы. Основные научные результаты докладывались на научно-технических конференциях 1977 - 2011гг. В частности: Машиностроение - традиции и инновации -2011г., Современные технологии в горном машиностроении -2011г., Перспективные направления развития технологии машиностроения и металлообработки - 2008, Научно - технические проблемы прогнозирования надежности и долговечности конструкций и методы их решения - 2005г., Проблемы автоматизации и управления в технических системах - 2004г., Информационные технологии и управление жизненным циклом изделий -2003г., Автоматизация производства и робототехника -1989г. (Детройт, США), Автоматическое управление точностью обработки на металлорежущих станках - 1978г., Расчет точности деталей машин и приборов - 1978г., Y научно-техническая конференция молодых ученых и специалистов 1977г.

Реализация результатов работы. Основные научные и практические положения диссертации внедрены в виде методических указаний и рекомендаций Госстандарта, методики использованы при проведении НИИОКР ряда станкостроительных предприятий (Львовский завод фрезерных станков, Владимирское ПО «Техника», Московский завод им. С.Орджоникидзе, Филиал ЭНИМСа -НПО Армстанок, НПО НИТИ и другие). Результаты исследования представлены в виде методического материала, разработанных и запатентованных системах управления и устройствах, информационно-программного обеспечения и технологических рекомендациях. Результаты работы использованы в учебном процессе по направлениям 151900 «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств», 220700 «Автоматизация технологических процессов и производств», а также в двух учебниках.

Публикации.

Основные положения диссертации опубликованы в 48 печатных работах, в том числе 6 научных монографиях, 2 учебниках, 6 авторских свидетельствах и патентах на изобретение, 34 научных работах, в том числе 15 статьях в журналах, входящих в Перечень российских рецензируемых научных журналов, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученой степени доктора наук.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения шести разделов, заключения, списка литературы из 261 наименований, 2 приложений. Работа изложена на 284 страницах машинописного текста, сдержит 95 рисунков и 21 таблицу.

Общие выводы и результаты:

1.Решена проблема управления тепловым состоянием металлорежущего оборудования для повышения его точности на основе разработки методов и средств создания для этого автоматизированных систем, что имеет народнохозяйственное значение повышения эффективности производства, обусловленное ростом масштабов работ по интенсификации и компьютеризации технологического производства и его комплексной автоматизации.

2.Установлены связи между показателями точности металлорежущего оборудования и погрешностями деталей, узлов и подсистем, обусловленных действием тепловых, упругих, геометрических, кинематических, динамических факторов, что позволяет определять направления эффективного управления ими для повышения точностных характеристик оборудования.

3. Разработана обобщенная схема построения и анализа функциональных и структурных моделей металлорежущего оборудования, обусловленные воздействия систематических и случайных, силовых и температурных источников постоянного и периодического действия, которые определяют изменение его точностных характеристик и позволяют формировать методы управления ими на основе создания и разработки математического и программного обеспечения САБ/САМ/САЕ систем ИЛИ - технологии.

4. Предложена модель формирования, построения и теплофизического анализа металлорежущего оборудования, а также его температурного режима и функций поведения на основе теплоактивных элементов с квазитермостабильными связями, позволившая:

- доказательно описать процесс формирования закономерностей теплового поведения металлорежущего оборудования и обосновать выбор параметров управления его теплового поведением;

- обосновать и получить критерии подобия теплового поведения деталей и узлов металлорежущего оборудования, обеспечивающие информационную и программную интеграцию систем управления тепловым поведением металлорежущего оборудования различного технологического назначения;

- получить решения по определению температурного режима типовых элементов, деталей и узлов металлорежущего оборудования для различных условий их тепловых нагрузок и теплонапряженности, которые позволили создать методики построения и анализа теплового состояния деталей и узлов.

5.Разработаны методы автоматизации испытаний, контроля и диагностики температурного режима и теплового поведения как нового, так и эксплуатирующегося металлорежущего оборудования, позволяющие снизить время проведения испытания и контроля, а также повысить эффективность диагностики и оценки его теплового состояния.

6. Разработаны методы создания и построения автоматизированных систем управления тепловым состоянием металлорежущего оборудования для повышения его точности, позволяющие осуществлять их программно- аппаратную реализацию в существующей информационной среде предприятия и рекомендовать их применение на машиностроительных предприятиях и предприятиях изготовителях металлорежущего оборудования, а также в учебном процессе по направлениям 151900 «Конструкторско-техно логическое обеспечение машиностроительных производств», 220700 «Автоматизация технологических процессов и производств».

1. Стандарты ISO 230 части -1,2,3,4,5,6,7,8,9,10. Test code for machine tools. 1996 -2010. VDI/DGQ 3441, ASMEB5.54(2005), JIS В 6192:1999.

2. ГОСТ 27843-2006(ИС0230-2:1997) Испытания станков. Определение точности и повторяемости позиционирования осей с числовым программным управлением. М.: Стандартинформ. 2007. 13 с.

3. ГОСТ Р ИСО 230-1-10.Испытания станков. Часть 1.Методы измерения геометрических параметров. М.:Стандартинформ.2010.-160 с.

4. Кузнецов А.П., Иванов М.Г. Методы воздействия на теплостойкость металлорежущих станков. М.: ВНИИТЭМРД986.- 60 с.

5. Дульнев Г. Н. Тепло и массообмен в радиоэлектронной аппаратуре. М.: Высшая школа, 1984. - 248 с.

6. Лыков A.B. Теория теплопроводности. М.: Высшая школа,1967. 600 с.

7. Кузнецов А.П. Методы оценки тепловых деформаций металлорежущих станков и пути их снижения. М.: НИИмаш, 1983. 68 с.

8. Давыдов С.В., Гуляев Ю.В., Симочкин В.В. Влияние теплофизических свойств углеродистых сталей на эвтектоидное превращение аустенита.// Вестник Брянского технологического университета. 2008. №1 (17).-с.4-9.

9. Охотин A.C., Нечаева Т.В., Пушкарский A.C. Теплопроводность твердых тел. Справочник.// Под ред. A.C. Охотина. М.: Энергоатомиздат,1984.- 320 с.

10. Кузнецов А.П., Уколов М.С. Оценка надежности станков с ЧПУ.- М.: Надежность и контроль качества, 1980, №2,- с.32-43.

11. Design for Precision: Current Status and Trends P. Schellekens , N. Rosielle, H.Vermeulen, M.Vermeulen, S. Wetzels, W. Prill. Annals of the C1RP, Vol. 47/2,1998.- p.557-586.

12. T. Moriwaki. Multi-functional machine tool. CIRP Annals Manufacturing Technology, 57 (2008).-p. 736-749.

13. Seng Khim, Tan and Chin Keong, Lim. Modeling the volumetric Error in Calibration of Five-exis CNC Machine.Proceedings of the International MultiConference of engineering and Computer Scientist 2010,v.3,IMECS2010,Hong Kong.

14. D. Dornfeld, D-E.Lee. Precision Manufacturing. Springer Science+Business Media, LLC, 2008.- 775 p.

15. L.N. Lopez de Lacalle, A. Lamikiz. Machine tools for high performance machining. Springer-Verlag London Limited, 2009. 442 p. 20.Slocum A.H. Precision machine design. Prentice-Hall, Englewood Cliffs, NJ, 1992.

16. Kaiji Sato. Trend of precision positioning technology. ABCM Symposium Series in Mechatronics., 2006,v.2.- p.739-750.

17. David A. Stephenson, John S. Agapiou. Metal cutting theory and practice. CRC Taylor & Francis, 2006 846 p.

18. Врагов Ю.Д. Анализ компоновок металлорежущих станков.-М.: Машиностроение, 1978.- 162 с.

19. Yoshimi Ito. C.Eng. Modulur design for machine tools. McGraw-Hill Companies, Inc, 2008 504 p.

20. Хомяков B.C., Давыдов И.И. М.:Станки и инструмент, 1989,60(9), с.8.-11.

21. Beckwith, W.Jr., Warwick R.I. Method for calibration of coordinate measuring machine. Patent US 4939678, 1990.

22. Comparison of volumetric analysis methods for machine tools with rotary axes. A.P Longstaff, S. Fletcher, A.J.Poxton, A Myers

23. Centre for Precision Technologies, University of Huddersfield, Englandhttp://eprints.hud.ac.uk/

24. O. Svoboda, P. Bach, G. Liotto and C. Wang. Machine Tool 3D Volumetric Positioning Error Measurement Under Various Thermal Conditions. Proceeding of the ISPMM 2006 Conference,Urumqi, Xinjiang, China, August 2-6,2006.

25. F.-C. Chen. On the structural configuration synthesis and geometry of machining centres. Proceeding Institute Mechnical Engineering,200l,v.215, Part C.-p. 1-12.

26. Рвачев В.JI. Теория R функций и некоторые её приложения. - Киев.: Наукова думка, 1982. - 552 с.

27. Постников М.М. Аналитическая геометрия.-М.:Наука,1973,- 752с.

28. Люкшин B.C. Теория винтовых поверхностей в проектировании режущего инструмента.-М.: Машиностроение, 1968. -372с.

29. Перепелица Б.А. Отображение аффинного пространства в теории формообразования поверхностей резанием.- Харьков, Высшая школа, 1981,-152с.

30. Корн Г., Корн Т., Справочник по математике. М.: Наука, 1074. - 832 с.36. ISO 10791 -7.

31. Решетов Д.Н., Портман В.Т. Точность металлорежущих станков. М.: Машиностроение, 1986 - 336 с.

32. Chen, C.-H., (1997), "Conjugation Form of Motion Representation and its Conversation Formulas", Mechanism and Machine Theory, Vol. 32, No 6, pp.765774.

33. H. Zhang, J. Yang, Y. Zhang, J.Shen, C. Wang. Measurement and compensation for volumetric positioning errors of CNC machine tools considering thermal effect. Int J Adv Manuf Technol., 2010.

34. Детали и механизмы металлорежущих станков.,т.1/Под ред. Д.Н.Решетова. М.: Машиностроение, 1972. - 664 с.

35. Детали и механизмы металлорежущих станков.,т.2/Под ред. Д.Н.Решетова. М.: Машиностроение, 1972. - 520 с.

36. Пуш В.Э. Конструирование металлорежущих станков.- М.: Машиностроение, 1977. 390 с.

37. Проектирование металлорежущих станков и станочных систем. Справочник-учебник: в 3-х томах./Под общей редакцией А.С.Проникова.-М.: Из-во МГТУ им. Н.Э Баумана., 1994.

38. Кузнецов А.П. и др. Современные компоновочные решения шпиндельных узлов металлорежущих станков с ЧПУ. М., ВНИИТЭМР, 1988.- 132 с.

39. Фигатнер A.M. Шпиндельные узлы современных металлорежущих стнков.- М.: НИИмаш, 1983.- 60 с.

40. Кузнецов А.П. Тепловое поведение металлорежущих станков различных компоновок. Вестник МГТУ «Станкин» №2(10),2010, М.: МГТУ «Станкин», 2010.- с.62-65.

41. Кузнецов А.П., Косов М.Г., Гуревич Ю.Е. Температурные расчеты шпиндельных узлов металлорежущих станков.- М.: Янус-К, 2010.- 160с.

42. Osamu Maeda, Yuzhong Cao, Yusuf Altintas. Expert spindle design system. International Journal of Machine Tools & Manufacture, 2005, 45.- p. 537-548

43. Стародубов B.C., Кузнецов А.П. Метод ускоренной оценки тепловых деформаций при контрольных испытаниях металлорежущих станков.- В кн.:

44. Ремонт и надежность технологического оборудования.- М.:МДНТП, 1979.-с. 87-98.

45. Стародубов B.C., Кузнецов А.П. Тепловые деформации узлов станка с ЧПУ и их влияние на точность обработки. Труды МИНХ и ГП, вып. 160,1981.- с. 101-115.

46. Кузнецов А.П., Косов М.Г. Структурный теплофизический анализ металлорежущих станков. М.: СТИН,2011,№3. - с. 13-21.

47. Коваленко А.Д. Основы термоупругости. Киев: Наукова думка, 1970. -308 с.

48. Кузнецов А.П. Инженерный метод оценки температуры нагрева шпиндельных узлов. М., Труды МВТУ №379. Методы исследования станков. 1982, №2 , - с.30-38.

49. Гейтвуд Б.Е. Температурные напряжения применительно к самолетам, снарядам, турбинам и ядерным реакторам.- М.: Иностранная литература, 1959.-350 с.

50. Кузнецов А.П. Критерии подобия теплового поведения деталей и узлов металлорежущих станков. М.: Вестник машиностроения, 2011, №4.- с.57-62.

51. Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов.- М.: Высшая школа, 1985. 304 с.

52. Кузнецов А.П. A.C. №998092. Способ контроля температур и тепловых деформаций металлорежущих станков и устройство для его осуществления./ Стародубов B.C., Кузнецов А.П., Нифагин С.Д. БИ, 1983, №7.

53. Marononjan K.P. A study of methods to minimize thermal deformations and their effect on the working accuracy of machine tools.- Proc. Int. Conference Prod. Eng., New Dehly, 1977, v.l. Calcutta. p.98 -112.

54. Weber E. Enfluß thrirmischer Instalitäten auf die Genauigkeit von Werkzeumaschinen. Ind. - Anz., 1980, v. 102, № 64. - s. 34 - 40.

55. Jedrzejewski I., Luzniak M. Temperaturatura, czas I predkose obrotowa wrzecania jako zmimenne wfunkeji korezcii przemicszoezen cieplnych tokarki. — Pr. Nauk inst technol. bud. masz. Pwroc., 1979, № 22 , s. 5 -22.

56. А. c. 223102 (ЧССР). Устройство для электронной компенсации тепловых деформаций частей станка с ЧПУ. Заявл. 14.09.79. № 6218-79. Опубл. 01.04.84.

57. Pascher М. Kompensation thermisch bedinger Verlagerungen an werkzeugmachinen. Ind. - Anz., 1984, 106, №75. —s.55-56.

58. Kogel E.Statisches und thermisches Verformungsverhalten von Frasmachinen. —VDI-Zeitschrift, 1984, 126, №8. -s. 47 52.

59. Giebner E., Strathmeier E. Methoden und Mittel der Temperatur-kompensation an Drehmaschinen. Maschinenmarkt, 1983, 89, № 100. - p. 2371—2374ю

60. Патент 59-28843(Япония). Устройство для компенсации тепловых деформаций в станке ЧПУ. Заявлю 29.06.78. №53-78911. Опубл. 16.07.84

61. Заявка 59-1128 (Япония). Способ предотвращения температурных деформаций металлорежущего станка. Заявл. 28.06.82. №57-112249. Опубл. 06.01.84.

62. Патент 200350 (ГДР). Устройство для компенсации тепловых деформаций шпинделя. Заявл. 28.08.81. №2328.684. Опубл. 20.04.83.

63. Заявка 2535639 (Франция). Горизонтальный многоцелевой станок. Заявл. 4.11.82. №8218483. Опубл. 11.05.84.

64. Заявка 57-201142(Япония). Устройство для предотвращения тепловых деформаций в станках. Заявл. 29.05.81. № 56-80880. Опубл. 09.12.82.

65. Патент 205117 (ГДР). Способ компенсации тепловых деформаций металлорежущих станков. Заявл. 31.12.81. № 56-80880. Опубл. 21.12.82.

66. ЕР 0 687 522 В1. Способ и устройство компенсации тепловых деформаций в станке. Опубл.06.03.2002.

67. Заявка 59-161202 (Япония). Система теплоизоляции метоллеорежущего станка. 3аявл.28.02.83. №58-33482. Опубл. 12.09.84.

68. Заявка 58-132441 (Япония). Устройство для автоматической компенсации тепловых деформаций шпинделя многоцелевого станка. Заявл. 25.01.82. № 57-10758. Опубл. 06.08.83.

69. A.c. 214526 (ЧССР). Способ компенсации тепловых деформаций станка. Заявл.26.09.79. № 6483-79. Опубл. 28.02.84.

70. А. с. 214512 (ЧССР). Устройство для компенсации тепловых деформаций узлов горизонтально-расточного станка. Заявл. 19.02.79. № 1099-79. Опубл. 28.02.84.

71. Заявка 57-178625 (Япония). Способ компенсации тепловых деформаций станка. Заявл.27.04.81. № 56-62517. Опубл. 02.11.82.

72. А. с. 1041226 (СССР). Способ автоматической компенсации тепловых смещений шпинделя металлорежущего станка. Заявл. 23.03.82. № 3407923/25-08. Опубл. в Б.И. 1983, №34.

73. Заявка 59-102525 (Япония). Устройство для компенсации тепловых деформаций в зубодолбежном станке. Заявл. 30.11.82. № 57-210401. Опубл. 13.06.84.

74. Jedrzejewski I. Kompensation thermischer Verlagerungen einer Drehmaschinen. Werkstatt und Betr., 1985, 118, №2. - s. 85 -87.

75. Заявка 3302063 (ФРГ). Устройство для компенсации погрешностей позиционирования. Заявл. 22.01.83. № Р 3302063.9. Опубл. 26.07.84.

76. Материалы симпозиума по новейшим системам автоматизированного производства фирмы «Мицуи сэйки ко., лтд».

77. Jacob К. Beurteilungskriterien für das thermische verhalten von Werkzeugmaschinen. Maschinenbautechnik, 1983, 30, № 12, - s. 540-544.

78. Вебер Е.Вопросы стабилизации температурных деформаций станков. — Экспресс-информация/Автоматические линии и металлорежущиестанки .ВИНИТИ, 1983,№ 41. с.5 - 11.

79. Heisel U. Kempensation thermischer Deformationen an Werkzeugmaschinen. —Maschinenmarkt, 1980, 86, №60. s. 1166-1169.

80. Neidrige Spindeltemperaturen darch Öl-luft-schmierung. —Kugellager, 1981, 55, № 208. —c.4—10.

81. Проспект станка модели МАЗ фирмы С AT, № О.Е1983.

82. Патент 225087 (ГДР). Устройство для компенсации тепловых деформаций металлорежущего станка. Заявл. 25.06.84: № 2644902. Опубл. 24.07.85.

83. Pascher М. Kompensation thermicsch bedingter Verlagerungen an Werkzeugmaschinen. Ind. —Anz., 1985, 107/№103-104. —s. 34-35.

84. A.c. 219424 (ЧССР). Система предотвращения тепловых деформаций на токарном станке. Заявл. 27.11.79 №8028-79.

85. Заявка 60-20840 (Япония). Устройство для предотвращения термических деформаций в станке. Заявл 14.07.83 № 58-128181. Опубл 2.02.85.

86. A.c. 224885 (ЧССР). Управляющее устройство для коррекции тепловых деформаций. Завл. 26.09.79 № 8100-81. Опубл. 01.08.85.

87. Заявка 0-20839 (Япония). Система компенсации температурных деформаций металлорежущего станка. Заявл. 12.07.83 №58-125736. Опубл. 2.02.85.

88. А. с. 232716 (СССР). Устройство для отвода тепла. Заявл. 16.11.83 №1189671/25-8. Опуб. вБ.И. 1969, №1.

89. A.c. 1183302 (СССР). Шпиндельный узел. Заявл. 16.11.83 № 3662293/25-08.опубл. в Б.И. 1985, № 37.

90. A.c. 1189653 (СССР). Устройство для отвода тепла от шпиндельных подшипников. Заявл. 8.02.83 №3549122/25-08. Опуб. в Б.И. 1985, №41

91. Menges G. Werkzeugmaschinenspindel ans CFkherstellnach dew. Weckelverfahren-Maschinemarkt, 1985, 91, № 77. —s. 1506-1508.

92. Заявка 59-97823 (Япония). Устройство для предотвращения термических деформаций станины металлорежущего станка. Заявл. 24.11.82 №57-204609. Опубл. 5.06.84.

93. Заявка 59-182049 (Япония). Система корректирования величины перемещения рабочих органов многоцелевых станков. Заявл. 01.04.83 № 5855193. Опубл. 16.10.84.

94. Заявка 59-161201 (Япония). Шпиндельный узел станка, имеющий малые тепловые деформации. Заявл. 28.02.83 № 58-33481. Опубл. 12.09.84.

95. Заявка 58-120446 (Япония). Устройство для охлаждения станины станка. Заявл. 11.01.82 № 57-2626. Опубл. 18.07.83.

96. Патент США.№ US4952105,1990 г. Охлаждаемая шпиндельная бабка металлорежущего станка.

97. Патент США №US7114895,2006г. Металлорежущий станок.

98. Патент 57-33139 (Япония). Устройство для регулирования тепловых деформаций шпинделя. Заявл. 06.04.73 № 48-38689. Опубл. 15.07.82.

99. Takada К., Tanate J. Thernal behavior of machine tool composed of epoxy resin concrete and cast iron. -Pr. Nauk Inst. Technol. bud masz. Pwrocl, 1985, № 30, - s.458-466.

100. Материалы фирмы «Mori seiki».

101. Кузнецов А.П. Тепловое поведение и точность металлорежущих станков. М.: Янус-К, 2011. - 256 с.

102. W. Modrzycki .Improving machine tool accuracy using virtual model of the thermal behavior, total quality management no 1, vol 30, 2002. p.49-53.

103. Zhao Haitao, Yang Jianguo, Shen Jinhua. Simulation of thermal behavior of a CNC machine tool spindle. International Journal of Machine Tools & Manufacture 47 (2007).-p.1003-1010.

104. Кузнецов А.П., Косов М.Г. Теплостойкость и быстроходность шпиндельных узлов металлорежущих станков. Вестник МГТУ «Станкин» №2(14),2011, М.: МГТУ «Станкин», 2011.- с.62-65.

105. Кузнецов А.П. Закономерности теплового поведения металлорежущих станков. -М.: Вестник машиностроения, 2011, №10. с.59-66.

106. Кузнецов А.П. Вероятностная оценка точности металлорежущих станков при повторно-переменном тепловом режиме,- Вестник МГТУ «Станкин» №3(14),2010, М.: МГТУ «Станкин», 2011.- с. 194 200.

107. Р 50 54-98-88.Рекомендации.Надежность в технике.Программные испытания оборудования. Общие требования. М.: ВНИИНМАШ Госстандарт СССР, 1988. - 50с.

108. Соломенцев Ю.М./ Информационно вычислительные системы в машиностроении,CALS технологии./ Соломенцев Ю.М., Митрофанов В.Г., Павлов,ВВ., Рыбаков А.В. - М.: Наука, 203.- 292с

109. Соломенцев Ю.М., Косов М.Г., Митрофанов В.Г. Моделирование точности при проектировании процессов механической обработки.-М.: НИИмаш, 1984. 64с.

110. Соломенцев Ю.М., Косов М.Г., Митрофанов В.Г. Моделирование точности при автоматизированном проектировании металлорежущего оборудованиями ВНИИТЭМР, 1985,- 60с.

111. Колчин А. Ф., Овсянников М. В., Стрекалов А. Ф., Сумароков С. В. Управление жизненным циклом продукции. М.: Анахарсис, 2002. - 304 с.

112. Пальмгрен А. Шариковые и роликовые подшипники. Пер. с англ. Под ред. Р.В.Кугель. М.:Машгиз, 1949.-123с.

113. Palmgren А. Новые исследования энергетических потерь в подшипниках качения. "VDI Berichte", Bd20, 1957.

114. Стренг Г., Фикс Дж. Теория метода конечных элементов. М.: Мир. - 350с.

115. Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике. М.: Мир. - 542с. 121. Сегерлинд JI. Применение метода конечных элементов. - М.: Мир,1979 -392с.

116. A. Abdel-Hamid, A.S. Wifi, М. El Gallab, A threedimensional finite element thermomechanical analysisof intermittent cutting process, J. Mater. Process. Technol.56 (1:4) (1996)643-654.

117. G.K. Adil, V.K. Jain, T. Sundararajan, Finite elementanalysis of temperature in accelerated cutting, Int.J. Mach. Tool Manuf. 28 (1988) 577-590.

118. J.S. Agapiou, M.F. De Vries, On the determination of thermal phenomena during drilling. Analytica lmodels of twist drill temperature distributions, Int. J. Mach. Tools Manuf. 30 (2) (1990) 203-215.

119. N. Arai, et al., Study on low frequency vibratory drilling of SUS304 (Cutting temperature of drill point),Trans. Jpn. Soc. Mech. Eng., Ser С 56 (527) (1990) 1960-1964.

120. M.H. Attia, L. Kops, Importance of contact pressure distribution on heat transfer in structural joints of machine tools, J. Eng. Ind., ASME 102 (2) (1980) 159-167.

121. M.H. Attia, L. Kops, A method for generating desired contact pressure distributions in experimental interfacial studies, J. Eng. Ind., ASME 107 (1985) 241-246.

122. W. Bouzid, J.L. Lebrun, A numerical method to determine temperature distribution in orthogonal machining machining,in: J.L. Chenot (Ed.), Num. Meth. Ind. Form. Process., Balkema, Rotterdam, 1992, pp. 895-900.

123. J.F.L. Chan, P.M. Braiden, The calculation of stresses in cutting tools, in: Appl. Solid Mech., Elsevier, Amsterdam, 1986, pp. 245-254.

124. W.C. Chen, Effect of the cross-sectional shape design of a drill body on drill temperature distributions, Int. Commun. Heat Mass Transf. 23 (3) (1996) 355366.

125. T.H.C. Childs, K. Maekawa, P. Maulik, Effects of coolant on temperature distribution in metal machining, Mater. Sei. Tech. 4 (11) (1988) 1006-1019.

126. S. Darwish, R. Davies, Investigation of the heat flow through bonded and brazed metal cutting tools, Int. J. Mach. Tools Manuf. 29 (2) (1989) 229-237.

127. M.D. Diehl, D.R. Durham, Modeling of thermal behavior for diamond coated alumina tool inserts, in:NAMRC XXII Conf., Evanston, 1994, pp. 143:1-6.

128. T.I. El-Wardany, E. Mohammed, M.A. Elbestawi,Cutting temperature of ceramic tools in high speed machining of difficult to cut materials, Int. J. Mach. Tools Manuf. 36 (5) (1996) 611-634.

129. K.F. Eldridge, et al., Thermoviscoplastic finite element modeling of machining under various cutting conditions, in: Nineteenth Conference North American Manuf. Res. Inst. SME, 1991, pp. 162-170.

130. L. Fourment, et al., Incremental mass conservation and adaptive remeshing for the thermo-mechanical coupling between workpiece and tool in non steady metal forming, in: S.F. Shen, P. Dawson (Eds.), NUMIFORM 95, Balkema, Rotterdam, 1995, pp. 431-434.

131. S. Fraser, M.H. Attia, M.O.M. Osman, Modelling, identification and control of thermal deformation of machine tool structures: Part I—Concept of generalizedmodelling, 1994 Int. Mech. Eng. Cong. Expo. PED 68, ASME (1994) 931-944.

132. S. Fraser, M.H. Attia, M.O.M. Osman, Modelling,identification and control of thermal deformation of machine tool structures: Part II— Generalized transfer functions, 1994 Int. Mech. Eng. Cong. Expo. PED 68, ASME (1994) 945-953.

133. K.H. Fuh, J.S. Huang, Thermal analysis of creepfeed grinding, J. Mater. Process. Technol. 43 (2:4)(1994) 109-124.

134. K.H. Fuh, W.C. Chen, Temperature rise in twist drills with a finite element approach, Int. Commun.Heat Mass Transf. 21 (3) (1994) 345-358.

135. T. Ihara, et al., Analytical prediction of cutting edge chipping in interrupted turning operation—transient distributions of temperature and thermal stress, J. Jpn. Soc. Precis. Eng. 48 (1982) 757-763.

136. T. Inamura, et al., Improvement of a thermal simulation model based on experimental data, J. Jpn. Soc. Precis. Eng. 54 (1988) 1907-1914.

137. J. Jedrzejewski, W. Modrzycki, A new approach to modeling thermal behavior of a machine tool under service conditions, Ann. CIRP 41 (1) (1992) 455-458.

138. T. Kagiwada, T. Kanauchi, Numerical analyses of cutting temperatures and flowing ratios of generated heat, JSME Int. J., Ser III 31 (1988) 624-633.

139. Y. Kakino, et al., A study on the generation of thermal crack of cutting tool, J. Jpn. Soc. Precis. Eng.51 (1985) 1705-1710.

140. K.W. Kim, H.C. Sin, Development of a thermoviscoplastic cutting model using finite element method, Int. J. Mach. Tools Manuf. 36 (3) (1996) 379-398.

141. Y. Kobayashi, T. Watanabe, Y. Yoshida, Effects of heat fluxes from environment on the temperature distribution of elements of a machine tool, Trans. Jpn. Soc. Mech. Eng., Ser C 57 (541) (1991) 3045-3049.

142. N. Koreta, K. Watabe, R. Hashimoto, K. Mizuta, Study on control of thermal deformation of machine tool structure due to room temperature's change by useof thermal insulating balancing boards, J. Jpn. Soc. Precis. Eng. 60 (6) (1994) 853-857.

143. N. Koreta, et al., Thermoelectric cooling of machine tool spindle, J. Jpn. Soc. Precis. Eng. 60 (5)(1994) 652-656.

144. S. Lee, H. Shinno, C. Inaba, Y. Ito, New simulation method for thermal-appropriate design of machine tool structure (its application to clarify effects of main bearing), Trans. Jpn. Soc. Mech. Eng., Ser C 57 (538)(1991) 2092-2099.

145. X. Li, Effect of coolant flow rate on cooling in machining, in: NAMRC XXIII Conf., Houghton, 1995, pp. 1-6.

146. X. Li, E.M. Kopalinsky, P.L.B. Oxley, Numerical method for determining temperature distribution in machining with coolant—Part 1: Modelling the process, Proc. Inst. Mech. Eng. B 209 (Bl) (1995) 33^3.

147. X. Li, E.M. Kopalinsky, P.L.B. Oxley, Numerical method for determining temperature distribution in machining with coolant—Part 2: Calculation method and results, Proc. Inst. Mech. Eng. B 209 (Bl) (1995) 45-52.

148. J. Lin, Inverse estimation of the tool-work interface temperature in end milling, Int. J. Mach. Tools Manuf.35 (5) (1995) 751-760.

149. J. Lin, S.L. Lee, C.I. Weng, Estimation of cutting temperature in high speed machining, J. Eng. Int. ASME 114 (3) (1992) 289-296.

150. Z.C. Lin, S.Y. Lin, A coupled finite element model of thermo-elastic-plastic large deformation for orthogonal cutting, J. Eng. Mater. Technol., ASME 1142. (1992) 218-226.

151. Z.C. Lin, W.C. Pan, A thermo-elastic-plastic model with special elements in a cutting process with tool flank wear, Int. J. Mach. Tools Manuf. 34 (6)(1994) 757-770.

152. Z.C. Lin, F.S. Chang, Y.T. Lin, The effect of tool flank wear on the temperature distribution of a machined workpiece, J. Chin. Inst. Eng. 10 (4) (1987) 353-362.

153. Z.C. Lin, Y.Y. Lin, C.R. Liu, Effect of thermal load and mechanical load on the residual stress of a machined workpiece, Int. J. Mech. Sci. 33 (4) (1991) 263-278.

154. S. Lo Casto, et al., Measurement of temperature distribution within tool in metal cutting. Experimental tests and numerical analysis, J. Mech. Work. Technol. 20 (1989) 35-46.

155. S. Lo Casto, et al., Cutting temperatures evaluation in ceramic tools: experimental tests, numerical analysis and SEM observations, Ann. CIRP 43 (1) (1994) 73-76.

156. S. Lo Casto, E. Lo Valvo, M. Piacentini, V.F. Ruisi, Method to evaluate cutting temperature distribution within ceramic tools, Metall. Ital. 85 (12) (1993) 751-755.

157. K. Maekawa, T.H.C. Childs, Thermal analysis of cutting tools in metal machining, in: Num. Meth.Therm. Prob. VII, Pineridge Press, 1991, pp. 1291— 1301.

158. K. Maekawa, I. Ohshima, Finite element simulation systems for metal machining II—Thermal analysis of cutting tools, J. Fac. Eng. Ibaraki Univ. (39) (1991)67-76.

159. K. Maekawa, I. Ohshima, R. Murata, Finite element analysis of temperature and stresses within an internally cooled cutting tool, Bull. Jpn. Soc. Precis.

160. Eng. 23 (3) (1989) 243-246.

161. K. Maekawa, I. Ohshima, R. Murata, Thermal analysis of internally cooled cutting tools, J. Jpn. Soc. Precis. Eng. 57 (11) (1991) 2011-2016.

162. K. Maekawa, I. Ohshima, A. Kubo, T. Kitagawa,Improvements in cutting efficiency of Ti-6Al-6V-2Sn titanium alloy (2nd Report—Investigations for reducing tool tip temperature), J. Jpn. Soc. Precis. Eng. 59 (6) (1993) 927-932.

163. K. Maekawa, Y. Nakano, T. Kitagawa, Finite element analysis of thermal behavior in metal machining (1st Rep, Influence of thermal properties on cutting temperature), Trans. Jpn. Soc. Mech. Eng., Ser C 62 (596) (1996) 1587-1593.

164. K. Maekawa, Y. Nakano, T. Kitagawa, Finite element analysis of thermal behavior in metal machining (2nd Rep, Determination of energy balance and its application to 3D analysis), Trans. Jpn. Soc. Mech.Eng., Ser C 62 (596) (1996) 1594-1599.

165. M. Mahdi, L. Zhang, The finite element thermal analysis of grinding processes by ADINA, Comput. Struct. 56 (2:3) (1995) 313-320.

166. M. Matsuo, T. Yasui, T. Inamura, M. Matsumura, A high-speed test of thermal effect for a machine-toolstructure based on modal analysis, J. Jpn. Soc. Precis. Eng. 50 (1984) 1413-1418.

167. M. Matsuo, et al., Measurement and decomposition of thermal deformation of a machining center by using touch-probe and mathematical model, J. Jpn. Soc. Precis. Eng. 55 (9) (1989) 1681-1686.

168. T. Moriwaki, C. Zhao, M. Nishiuchi, Thermal deformation of machining center due to temperature change in the environment, Trans. Jpn. Soc. Mech. Eng., Ser C 57 (539) (1991) 2447-2452.

169. T. Moriwaki, N. Sugimura, S. Luan, Combined stress, material flow and heat analysis of orthogonal micromachining of copper, Ann. CIRP 42 (1) (1993) 75-78.

170. T. Moriwaki, et al., Development of modeling system for CAD:CAE of machine tool: application of thermal analysis for moving parts, J. Jpn. Soc. Precis. Eng. 60 (7) (1994) 959-963.

171. P.D. Muraka, G. Barrow, S. Hinduja, Influence of the process variables on the temperature distribution in orthogonal machining using the finite element method, Int. J. Mech. Sci. 21 (1979) 445^56.

172. T. Nishihara, S. Okuyama, S. Kawamura, S. Hanasaki, Study on the geometrical accuracy in surface grinding—thermal deformation on workpiece in transverse grinding, J. Jpn. Soc. Precis. Eng. 59 (7) (1993) 1145-1150.

173. S. Ohishi, Y. Furukawa, Analysis of workpiece temperature and grinding burn in creep feed grinding, Bull. JSME 28 (1985) 1775-1781.

174. S. Ohishi, et al., Machining accuracy in creep feed grinding, J. Jpn. Soc. Precis. Eng. 51 (1985) 408^-14.

175. S. Okuyama, et al., Study on the flatness of work produced by surface grinding effects of bending caused by grinding heat, J. Jpn. Soc. Precis. Eng. 54 (1988) 1496-1501.

176. S. Okuyama, Y. Nakamura, S. Kawamura, Computation of grinding temperature considering the convective heat transfer, J. Jpn. Soc. Precis. Eng. 59 (4) (1993) 631-636.

177. S. Okuyama, T. Nishihara, S. Kawamura, Study on the workpiece thermal deformation under wet grinding,in: Winter Ann. Meet., New Orleans, PED 64, ASME (1993) 431^36.

178. S. Okuyama, et al., Study of the geometrical accuracy in surface grinding: thermal deformation of workpiece in transverse grinding, Int. J. Jpn. Soc. Prec. Eng.28 (4) (1994) 305-310.

179. R. Rakotomalala, P. Joyot, M. Touratier, Arbitrary Lagrangian-Eulerian thermomechanical finite-element model of material cutting, Commun. Num. Meth. Eng. 9 (12) (1993) 975-987.

180. K. Ravindran, J. Srinivasan, A.G. Marathe, Finite element solution of surface-tension driven flows in laser surface melting, Mech. Res. Commun. 22 (3) (1995) 297-304.

181. H. Sasahara, T. Obikawa, T. Shirakashi, Analytical prediction of the characteristics within machined surface layer (Part 3)—The thermal and mechanical effects on machined surface, J. Jpn. Soc. Precis. Eng. 60 (12) (1994) 1801-1805.

182. H. Shibahara, T. Matsuo, S. Satonaka, Curvature of thin workpiece in surface grinding with superabrasive wheels (3rd Rep—Influence of temperature distribution and transformation), J. Jpn. Soc. Precis. Eng. 59(8) (1993) 1295-1300.

183. A.J.M. Shih, S. Chandrasekar, H.T.Y. Yang, Finite element simulation of metal cutting process with strain-rate and temperature effects, in: Winter Ann. Meet., Dallas, PED 43, ASME (1990) 11-24.

184. M.G. Stevenson, P.K. Wright, J.G. Chow, Further developments in applying the finite element method to the calculation of temperature distributions in machining, J. Eng. Ind., ASME 105 (1983) 149-154.

185. J.S. Strenkowski, M.H. Luh, Thermal analysis of orthogonal cutting using a thermo-viscoplastic finite element model, in: Winter Ann. Meet., San Francisco, HTD 123, ASME (1989) 249-258.

186. J.S. Strenkowski, K.J. Moon, Finite element prediction of chip geometry and tool:workpiece temperature distributions in orthogonal metal cutting, J. Eng.1.d., ASME 112 (4) (1990) 313-318.

187. T. Takase, R. Kurokawa, Y. Imai, Thermal stress cutting of cylindrical brittle materials, Trans. Jpn. Soc. Mech. Eng., Ser A 60 (570) (1994) 385-389.

188. A.A.O. Tay, Review of methods of calculating machining temperature, J. Mater. Process. Technol. 36 (3) (1993) 225-257.

189. A.A.O. Tay, Importance of allowing for the variation of thermal properties in the numerical computation of temperature distribution in machining, J. Mater. Process. Technol. 28 (1:2) (1991) 49-58.

190. T.C. Tszeng, W.T. Wu, J.P. Tang, Prediction of distortion during heat treating and machining processes, in: Sixteenth Conference Heat Treat., Cincinnati, ASM, 1996, pp. 9-15.

191. S.S. Ukani, C.W. Chang, A.A. Shabana, Thermoelastic analysis of flexible multibody machine-tool mechanisms, J. Mech., Transm., Aut. Design, ASME 110 (1988) 48-55.

192. A. Waked, R.K. Al-Abbas, M.M. Sadek, Thermal behaviour of bonded carbide tipped turning tool during cutting, Indian J. Technol. 29 (11) (1991) 513518.

193. A. Waked, R.K. Al-Abbas, M.M. Sadek, Thermal performance of the bonded carbide tipped tool as compared with commercially available tools, Proc. Inst. Mech. Eng., Part B 205 (1) (1991) 35-42.

194. X. Wang, et al., Analysis and computation of temperature field and thermal deformation on the column of vertical lathe by finite element method, in:

195. G. Yagawa, S.N. Atluri (Eds.), Comp. Mech., Springer, Berlin, 1986, pp. 8:109.

196. Z.Y. Wang, C. Sahay, K.P. Rajurkar, Tool temperatures and crack development in milling cutters, Int. J. Mach. Tools Manuf. 36 (1) (1996) 129-140.

197. C. Wiesner, Residual stresses after orthogonal machining of AISI 304: numerical-calculation of the thermal component and comparison with experiments, Metall. Trans. A 23 (3) (1992) 989-996.

198. H. Wu, J.E. Mayer, An analysis of thermal cracking of carbide tools in intermittent cutting, J. Eng. Ind.,ASME 101 (2) (1979) 159-164.

199. Z.K. Yao, Y.Y. Li, Thermomechanical model of 2D internal and external cylindrical grinding, Trans. North Am. Manuf. Res. Inst. 22, SME (1994) 127134.

200. K. Yokoyama, R. Ichimiya, Analyses of thermal deformation of workpiece in honing process—numerical analyses of cylindrical and non-cylindrical workpieces, J. Jpn. Soc. Precis. Eng. 48 (1982) 919-924.

201. K. Yokoyama, R. Ichimiya, FEM temperature analysis of workpiece with shape change (shortening of CPU time by calculation involving nodes movement), Trans. Jpn. Soc. Mech. Eng., Ser C 56 (524) (1990) 1034-1040.

202. K. Yokoyama, R. Ichimiya, FEM temperature analysis of workpiece with shape change, JSME Int. J., Ser I 34 (1) (1991) 30-36.

203. M.A. Younis, Mechanical and thermal stresses in clamped, brazed, and bonded carbide tools, J. Eng. Ind., ASME 114 (4) (1992) 377-385.

204. A.Blazejewski,W.Kkwasny,J. J?drzejewski,T.-W. Gim .Modelling thermal deformation of tilting rotary table with direct drive system. Journal of Machine Engineering, Vol. 10, No. 4, 2010

205. Jjedrzejewski, j., Kowal, z., Menz, p., Winiarski, z., Analysis of Thermal Behaviour of Electrospindle Units", Proceeding of Wroclaw Technical University, p. 80-87, 1995

206. Jedrzejewski, j., Winiarski, z., Kowal, z., "Machine Tool Optimization Methodology", Proceedings of the International Seminar on Improving Machine Tool Performance, San Sebastian, p. 841-848, 1998

207. Winiarski, Z.,"A Concept of Modelling the Machine Optimization Process "proceedings of the 4-th International Scientific Colloquium CAX TECHNIQUES,Fachhochschule Bielefeld, p. 535-542,1999

208. Winiarski, Z., "Thermal Behaviour Analysis in Improving Machine Tool Performance", Scientific Proceedings of the Scientific-Technical Union of Mechanical Engineering, Sofia, Volume 10, p. 56-59, 1999

209. Jedrzejewski, j., Kowal, z., Winiarski, z., "Computer Simulation in Machine Tool Feature Design", Proceeding of Wroclaw University of Technology, p. 268276, 1998

210. Winiarski, z., Kowal, z., "Knowledge Model for Thermal Behaviour Perfection of Machine Tool Bodies" Proceedings of the 3rd International Scientific Colloquium, Rzeszow University of Technology, p. 489-497, 1997

211. Jedrzejewski, j., Kaczmarek. j., Kowal .z., winiarski. z.,

212. Numerical Optimisation of Thermal Behaviour of Machine Tools", Annals of the CIRP, Vol. 39(1), Berlin, p. 379-382, 1990

213. Yang, J., Yuan, J. and Ni, J, 1999, "Thermal Error Mode Analysis and Robust Modeling for Error Compensation on a CNC Turning Center, "International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol. 39, pp. 1367-1381.1. Точность.

214. Chen X B, Geddam A, Yuan Z J. Accuracy improvement of three-axis CNC machining centers by quasi-static error compensation. Journal of Manufacturing

215. Systems 1997; 16(5): 323-336.

216. Tajbakhsh H, Abadin Z, Ferreira P M. Parameter estimates for volumetric error in models of machine tools. Precis Engineering 1997; 20(3): 179-187.

217. Patel A J, Ehmann К F. Volumetric error analysis of a Stewart platform based machine tool. CIRP Annals Manufacturing Technology 1997; 46(1): 287-290.

218. Suh S H, Lee J J. Five-axis part machining with three-axis CNC machine and indexing table. Journal of Manufacturing Science and Engineering 1998; 120(1): 120-128.

219. Ahn К G, Cho D W. Proposition for a volumetric error model considering backlash in machine tools. International Journal of Advanced Manufacturing Technology 1999; 15(8): 554561.

220. Okafor A C, Ertekin Y M. Derivation of machine tool error models and error compensation procedure for three axes vertical machining center using rigid body kinematic. International Journal of Machine Tools and Manufacture 2000; 40(8): 1199-1213.

221. Florussen G H J, Delbressine F L M, van de Molengraft M J G, et al. Assessing geometrical errors of multi-axis machines by three-dimensional length measurement. Measurement 2001; 30(4): 241-255.

222. Bagshaw R W, Newman S T. Manufacturing data analysis of machine tool errors within a contemporary small manufacturing enterprise. International Journal of Machine Tools and Manufacture 2002; 42(9): 1065-1080.

223. Lin Y, Shen Y. Modeling of five-axis machine tool metrology models using the matrix summation approach. International Journal of Advanced Manufacturing Technology 2003; 21(4): 243-248.

224. Jha B K, Kumar A. Analysis of geometric errors associated with five-axis machining centre in improving the quality of Cam profile. International Journal of Machine Tools and Manufacture 2003; 43(6): 629-636.

225. Tsutsumi M, Saito A. Identification and compensation of systematic deviations particular to 5-axis machining centers. International Journal of Machine Tools and Manufacture 2003; 43(8): 771-780.

226. Cheng Y M, Chin J H. Machining contour errors as ensembles of cutting, feeding and machine structure effects. International Journal of Machine Tools and Manufacture 2003; 43(10): 1001-1014.

227. Fan J W, Guan J L, Wang W C, et al. A universal modeling method for enhancement the volumetric accuracy of CNC machine tools. Journal of Materials Processing Technology 2002; 129(1-3): 624-628.

228. Bohez E L J. Compensating for systematic errors in 5-axis NC machining. Computer-Aided Design 2002;34(5): 391-403.

229. Bohez E L J, Ariyajunya B, Sinlapeecheewa C, et al. Systematic geometric rigid body error identification of 5-axis milling machines. Computer-Aided Design 2007; 39(4): 229-244.

230. Portman V T. Error summation in the analytical calculation of lathe accuracy, machines and tooling. Machinesand Tooling 1980; 50(1): 7-10.

231. Slocum A H. Precision machine design. Dearborn, Michigan: Society of Manufacturing Engineers, 1992.

232. Hocken R. Technology of machine tools, Vol.5: machine tool accuracy D381108, 1980.

233. Knapp W, Matthias E. Test of the three-dimensional uncertainty of machine tools and measuring machines and its relation to the machine errors. CIRP Annals.Manufacturing Technology 1983; 32(1): 459-464.

234. Daniel C M, Olson W W, Sutherland W J. Modeling the effects of component level geometric and form deviations on machine tool slide way errors. Transactions of NAMRI/SME 1998; 26:347-352.

235. Bohez E L J. Five-axis milling machine tool kinematic chain design and analysis. International Journal of Machine Tools and Manufacture 2002; 42(4): 505-520.

236. Machine axis identification standard EIA-267-B Axis and motion nomenclature for numerically controlled machines. 2001.

237. ISO 841: 2001 Industrial automation systems and integration-numerical control of machines-coordinate system and motion nomenclature. ISO, Geneva.

238. Schultschik R. The accuracy of machine tools under load conditions. CIRP -AnnalsManufacturing Technology 1979; 27(1): 223-228.

239. Dufour P, Groppetti R. Computer aided accuracy improvement in large NC machine-tools. Proceedings of the 21st International MTDR Conference. 1981 ;611-618.

240. Portman V T. A universal method for calculating the accuracy of mechanical devices. Soviet Engineering Research 1982; 1(7): 11-15.

241. Veitschnegger W K, Wu C H. Robot accuracy analysis based on kinematics. IEEE Journal of Robotics and. Automation 1986; 2(3): 171-179.

242. Eman K F, Wu B T, de Vries M F. A generalised geometric error model for multi-axis machines. CIRP Annals—Manufacturing Technology 1987; 36(1): 253-256.

243. Donmez M A, Lee K, Liu C, et al. A real-time error compensation system for a computerized control turning center. Proceedings of International Conference on Robotics and Automation. 1986; 172-176.

244. Ferreira P M, Liu C R. An analytical quadratic model for geometric error of a machine center. Journal of Manufacturing Systems 1986; 5(1): 51-63.

245. Ferreira P M, Liu C R. A contribution to analysis and compensation of the geometric error of a machining center. CIRP Annals—Manufacturing Technology 1986; 35(1): 259-262.

246. Han Z J, Zhou K. Improvement of positioning accuracy of rotating table by microcomputer control compensation. Proceedings of the 26th International MTDR Conference. 1986; 115-120.

247. Sata T, Takeuchi Y, Okubo N. Improvement of working of a machining center by computer control compensation.Proceedings of the 27th International MTDR Conference. 1987; 93-99.

248. Anjanappa M, Anand D K, Kirk J A, et al. Error correction methodologies and control strategies for numerical control machining control methods for manufacturing processes. Control Methods for Manufacturing Process 1988; 7: 41-49.

249. Elshennaway A K, Ham I. Performance improvement in coordinate measuring machine by error compensation. Journal of Manufacturing Systems 1990; 9(2): 151-158.

250. Jedrzejewski J, Kaczmarek J, Kowal Z, et al. Numerical optimization of thermal behavior of machine tools. CIRP Annals—Manufacturing Technology 1990; 39(1): 379-382.

251. Ehmann K F. Solution principles for a new generation of precision self-correcting multi-axis machines. Robotics and Computer-Integrated Manufacturing 1990; 7(3-4): 357-364.

252. Kim K, Kim M K. Volumetric accuracy analysis based on generalized geometric error model in multi-axis machine tools. Mechanism and Machine Theory, 1991; 26(2): 207-219.

253. Soons J A, Theeuws F C, Schellekens P H. Modeling the errors of multi-axis machines: a general methodology. Precision Engineering 1992; 14(1): 5-19.

254. Chen J S, Yuan J X, Ni J, et al. Compensation of non-rigid body kinematic effect on a machining center. Transactions of NAMRI/SME 1992; 20: 325-329.

255. Ni J, Wu S M. An on-line measurement technique for machine volumetric error compensation. Journal ofEngineering for Industry 1993; 115: 85-92.

256. Lin P D, Ehmann K F. Direct volumetric error evaluation for multi-axis machines. International Journal of Machine Tools and Manufacture 1993; 33(5): 675-693.

257. Kiridena V S B, Ferreira P M. Mapping the effects of positioning errors on the volumetric accuracy of five-axis CNC machine tools. International Journal of Machine Tools and Manufacture 1993; 33(3): 417-437.

258. Kiridena V S B, Ferreira P M. Kinematic modeling of quasistatic errors of three-axis machining centers. InternationalJournal of Machine Tools and Manufacture 1994; 34(1): 85-100.

259. Ferreira P M, Liu C R. Method for estimating and compensating quasistatic errors of machine tools.Journal ofEngineering for Industry 1993; 15(1): 149-159.

260. Mou J. Using neural network and kinematics for machine tool error estimation and correction. Transactions of NAMRI/SME 1994; 22: 241-246.

261. Lo C H, Yuan L J, Ni J. Error link metrology and flexible error synthesis model for correcting quasi-static machine errors. Transactions of NAMRI/SME 1994; 22: 267-273.

262. Wang S, Ehmann K. Compensation of geometric and quasi-static deformation errors of a multi-axis machine.Transactions of NAMRI/SME 1994; 22: 283-289.

263. Wang S, Ehmann K. Automated evaluation of volumetric errors of multi-axis machines. Transactions of NAMRI/SME 1994; 22: 291-296.

264. Kiridena V S B, Ferreira P M. Parameter estimation and model verification of 1st order quasistatic error model for three-axis machining centers. International Journal of Machine Tools and Manufacture 1994;34(1): 101-125.

265. Cho J H, Cho M W, Kim K. Volumetric error analysis of a multi-axis machine tool machining a sculptured surface workpiece. International Journal of Production Research 1994; 32(2): 345-363.

266. Kreng V B, Liu C R, Chu C N. A kinematic model for machine tool accuracy aracterization. International Journal of Advanced Manufacturing Technology 1994; 9: 79-86.

267. Srivastava A, Veldhuis S, Elbestawi M A. Modeling geometric and thermal errors in a five-axis CNC machine tool. International Journal of Machine Tools and Manufacture 1995; 35(9): 1321-1337.

268. Yang S H, Yuan J, Ni J. Accuracy enhancement of a horizontal machining center by realtime error compensation.Journal of Manufacturing Systems 1996;2.

269. M. Tsutsumi, A. Saito, 2003, Identification and Compensation of Systematic Deviations Particular to 5-Axis Machining Centers, Int. J. of Mach. Tools & Manuf.,1. Vol.43, P.771-780.

270. W.T. Lei, Y.Y. Hsu, 2002, Accuracy Test of Five-AxisCNC Machine Tool with 3D ProbeBall. Part II: Errors Estimation, Int. J. of Mach. Tools and Manuf., Vol.42,PI 163-1170.

271. J. Yuan, J. Ni, The real-time error compensation technique for CNC machining systems, Mechatronics 8 (1998),359-380.

272. J.S. Chen, C.C. Ling, Improving the machine tool accuracy through machine tool metrology and error correction,

273. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology 11 (1996) 198-205.

274. A.K. Srivastava, S.C. Veldhuis, M.A. Elbestawi, Modelling geometric and thermal errors in a five-axis CNC machine tool, International Journal of Machine Tools and Manufacture 35 (9) (1995)1321-1339.

275. Yang, H. and Ni, J. (2005a) 'Adaptive model estimation of machine-tool thermal errors based on recursive dynamic modelling strategy', International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol. 45, pp. 1-11.

276. Yang, H. and Ni, J. (2005b) 'Dynamic neural network modelling for nonlinear, nonstationary machine tool thermally induced error', International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol. 45, pp.455-465.

277. Wang, S.-M., Liu, Y.-L. and Kang, Y. (2002) 'An efficient error compensation system for CNC multi-axis machines', International Journal of Machine Tools & Manufacture, Vol. 42, pp.1235-1245.

278. Wang, S.M., Yu, H.J. and Liao, H.W. (2006) 'A new high-efficiency error compensation system for CNC multi-axis machine tools', International Journal of Advance Manufacturing Technology, Vol. 28, pp.518-526.

279. Seng Khim, Tan and Chin Keong, Lim. Modeling the Volumetric Errors in Calibration of Five-axis CNC Machine. Proceeding IMECs, 2010.V.3.

280. ФГБОУ ВПО МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ « СТАНКИН »о£Г Ар * 3/ о ¡і у- На пРавах рукописи

281. Кузнецов Александр Павлович

282. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ И СРЕДСТВ СОЗДАНИЯ АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ ТЕПЛОВЫМ СОСТОЯНИЕМ МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО ОБОРУДОВАНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ЕГО ТОЧНОСТИ

283. Специальность 05.13.06 «Автоматизация и управление технологическимипроцессами и производствами (технические системы)»

284. Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук

285. Научный консультант доктор техническихнаук, профессор Косов Михаил Георгиевич1. Москва 2011