автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Уменьшение тепловых деформаций торцешлифовальных станков

Основные обозначения.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Тепловые деформации как один из факторов, определяющих погрешность обработки на торцешлифовальных станках

1.2. Методы определения и компенсации тепловых деформаций станков

1.3. Цели и задачи работы

Глава 2. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ И ТЕПЛОВЫХ ДЕФОРМАЦИЙ СТАНКА.

2.1. Методика измерений

2.2. Исследование зависимости погрешности обработки от тепловых деформаций станка.

2.3. Изменение углового положения кругов при действии различных источников выделения тепла в станке

2.4. Исследование тепловых деформаций узлов станка.

2.5. Изменение углового положения кругов в зависимости от избыточной температуры СОЖ.

Глава 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ПОЛЯ ОГРАЖДЕНИЯ И СТАНИНЫ

3.1. Выбор и обоснование расчетной схемы.

3.2. Определение температурного поля ограждения

3.3 Определение температуры станины.

3.4. Экспериментальная проверка распределения избыточных температур станины и тепловых деформаций.

Глава 4. РАЗРАБОТКА И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА МЕРОПРИЯТИЙ ПО СНИЖЕНИЮ ТЕПЛОВЫХ ДЕФОРМАЦИЙ СТАНКА.

4.1. Уменьшение тепловых деформаций улучшением конструкции станины.

4.2. Снижение тепловых деформаций станка поддержанием стабильной температуры СЩ.

4.3. Компенсация тепловых деформаций станка созданием деформаций противоположного направления.

4.4. Проверка эффективности метода терморегулирования при шлифовании промышленных партий деталей.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.

Требование дальнейшего повышения качества продукции, как это указывалось в решениях ХХУТ съезда КПСС [ I ] , невозможно без повышения точности станочного оборудования. Повышение точности станков невозможно без глубокого и всестороннего изучения процессов, протекающих в станке при его работе. Поскольку станки в процессе эусплуатации подвергаются внешним и внутренним воздействиям, в них неизбежно возникают процессы, которые приводят к изменению технических характеристик, зачастую снижается и качество продукции (, 24,34,35].

Исследования, проведенные советскими (Ю.Н.Соколовым,

• • II

В.И.Алферовым, М.З.Лурье и др.) и зарубежными Сааиспд Н., 2алдь /. и др.) учеными, показали, что при обработке деталей в станке погрешности, вызванные его тепловыми деформациями, составляют в ряде случаев 40-70% суммарной величины погрешности. Особенно велика доля тепловых деформаций в общей погрешности обработки на станках, предназначенных для финишных операций.

Тепловые деформации, появление которых неизбежно при работе станка, вызываются как увеличением абсолютной температуры станка ( воздействие внешних и внутренних источников тепла) , так и неравномерностью нагрева его узлов ( причиной, как правило, являются внутренние источники тепла) . Чаще всего тепловые деформации станков носят сложный пространственно-временной характер и зависят от многих факторов: расположения источников тепловыделения и мощности теплообразования этих источников, режимов работы станка, эффективности отвода тепла из мест его образования и др.

Из-за неравномерности нагрева узлов станка в процессе его работы изменяется относительное положение инструмента и заготовки. Причем линейные изменения относительного положения инструмента и заготовки приводят к размерным погрешностям, а угловые повороты узлов станка - к погрешностям формы и расположения. Если размерные погрешности относительно легко компенсируются поднастройкой на размер во время работы станка, то угловые повороты узлов станка во время его работы компенсировать сложно. Тем самым наличие угловых поворотов станка во время его работы характеризует несовершенство его компоновки или качества монтажа, а чаще всего то и другое вместе [26,г?].

Торцшшшфовальные станки являются высокопроизводительным видом финишного оборудования, применяемым в условиях крупносерийного и массового производства. Большая тепл©напряженность процесса торцепшифования вызывает значительные тепловые деформации его узлов, что приводит к изменению углового положения шлифовальных кругов по сравнению с настроенным на холодном станке. Это служит причиной увеличения погрешности обработки (непостоянства ширины детали, рассеяния ширины в партии) , а также ведет к увеличению шероховатости обработанных поверхностей. Это приводит к ограниченному применению станков для больших партий деталей.

Основной целью работы является повышение точности двусторонних торцешлифовальных станков с горизонтальной осью расположения шпинделей на основе уменьшения как самой величины тепловых деформаций, так и их вредного влияния. Выполнено комплексное теоретическое и экспериментальное исследование тепловых деформаций этих станков. Разработана методика изучения тепловых деформаций торцешлифовальных станков на основе имитации тепловой части процесса шлифования ; исследована величина тепловых деформаций узлов станка, выделен узел, деформации которого определяют изменение углового положения шлифовальных кругов в процессе нагрева ; показана связь между тепловыми деформациями узлов станка и погрешностью обработки деталей на станке.

Научная новизна заключается в установлении количественной связи между тепловыми деформациями узлов станка и изменением углового положения шлифовальных кругов в процессе работы, а также связи между избыточной температурой СОЖ и изменением углового положения шлифовальных кругов.

Разработана математическая модель распространения тепла от наиболее нагретой части станка - ограждения зоны шлифования - в станину, тепловые деформации которой наиболее значительным образом изменяют взаимное угловое положение шлифовальных кругов.

Разработаны рекомендации по уменьшению тепловых деформаций путем улучшения конструкции станины и теплоизоляции зоны ограждения, а также стабилизацией температуры СОЖ. Разработаны рекомендации по компенсации тепловых деформаций на основе создания тепловых деформаций противоположного направления.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Определено соотношение между всей тепловой энергией процесса шлифования и ее частью, идущей на нагрев станка на основе разработанной математической модели, позволяющей определять температуру поверхности узлов, примыкающих к зоне ограждения.

2. Установлено, что тепловые деформации станины наиболее значительно ( 75-90% от всей величины изменения) изменяют взаимное угловое положение шлифовальных кругов во время работы станка, тепловые деформации корпусов шлифовальных бабок составляют 10-25% от общего изменения.

3. Установлено, что наибольшие изменения углового положения шлифовальных кругов происходят в вертикальной плоскости, т.е. перпендикулярно направлению подачи. Установлена связь между избыточной температурой СОЖ, временем работы станка и изменением углового положения шлифовальных кругов станка в вертикальной плоскости.

4. Рекомендовано уменьшать тепловые деформации станины торцешлифовальных станков за счет ликвидации масс металла, не влияющих существенно на жесткостные характеристики станины и имеющих максимальную избыточную температуру при работе станка, а также улучшить теплоизоляцию зоны ограждения от поверхностей станка. У разработанной на основе этих рекомендаций станины новой гаммы торцешлифовальных станков деформации в вертикальной плоскости в 2,5 раза меньше, чем у станины базовой модели.

5. Экспериментально установлено, что закрепление средней части станка к фундаменту на 25% снижает тепловые деформации станины в вертикальной плоскости. Рекомендовано крепить станину станка к фундаменту в 8 точках: 4 точки по углам станины и 4 в центральной части.

6. Разработан метод уменьшения тепловых деформаций станка за счет ликвидации участков локального нагрева узлов станка с помощью охлаждения станков со стабилизированной температурой СОЖ. Установлено экспериментально, что поддержание температуры СОЖ в пределах + 2°С от температуры окружающей среды позволяет повысить точность шлифования ( снизить непостоянство ширины обрабатываемых деталей, снизить рассеяние ширины в партии, уменьшить шероховатость обработанной поверхности ) в 2-3 раза. Рекомендовано данный способ применять на чистовых режимах шлифования, когда мощность шлифования не превышает 20 кВт.

7. Разработан метод нейтрализации вредного влияния тепловых деформаций за счет создания тепловых деформаций противоположного направления и равных по величине тем, которые вызываются нагревом станка от циркуляции в системе охлаждения станка СОЖ с избыточной температурой. Расчетным путем определены участки станины и способы их подогрева, вызывающие максимальные тепловые деформации противоположного знака. Экспериментально проверена эффективность нагрева станины с помощью дополнительных баков, укрепленных на торцовых стенках станины. Установлено, что наиболее целесообразно применять этот метод на получистовых режимах обработки, когда мощность шлифования не превышает 35 кВт (избыточная температура СОЖ не более 30-35°С) . Экспериментальная проверка эффективности метода терморегулирования показала, что погрешность формы обработанных деталей составляет 50% от допуска ( 10-14 мкм при допуске 30 мкм на диаметр обрабатываемых деталей 138 мм).

1. Материалы 26 съезда КПСС.-М.:Политиздат, 1981,- 235 с.

2. Айвазян С.А.,Енюков И.С., Мешалкин Л.Д. Прикладная статистика: Основы моделирования и первичная обработка данных. Справочное изд.-М.:Финансы и статистика, 1983.- 471 с.

3. Алферов В.И. Приближенный метод расчета температурных смещений в станкахт Станки и инструмент, 1973, № 10, с. II-13.

4. Андрианова И.А., Шахновский С.С. Влияние тепловых деформаций на положение шлифовальных кругов торцешлифовального станка. -Станки и инструмент, 1982, Р 9, с. 6-7.

5. Андрианова И.А., Шахновский С.С. Влияние тепла, выделяемого при торцовом шлифовании, на стабильность положения кругов.» Станки и инструмент, 1983, Р 8, с. 30-31.

6. Андрианова И.А. Температурные деформации узлов торцешлифовального станка.- ЭИ НИИмаш "Обработка резанием", 1983, № 5, с. 26-29.

7. Беляев Н.М., Рядно A.A. Методы теории теплопроводности.-4.1- М.:Высшая школа, 1982.- 327 с.

8. Бобрин В.И. Погрешности обработки на плокошлифовальных станках» возникающие из-за температурных деформаций их узлов. Станки и инструмент, 1967, № 8, с. 26-27.

9. Болонова E.B. Инструкция по наладке торцепшифовального автомата ДН-4.- ОНТЙ ВНИПП, М., 1962.

10. Бреев Б.Т. Тепловые деформации в станках и меры борьбы с ними.- Станки и инструмент, 1956, № 3, с. 14-15.

11. Бромберг Б.М. и др. Температурные деформации отделочно-расточного станка.- Станки и инструмент, 1970, № 12, с.8-10.

12. Брон Л.С., Тартаковский Ж.Э. Гидравлический привод агрегатных станков и автоматических линий.- М.:Машиностроение,1974.- 328 с.

13. Ваничев А.П. Приближенный метод решения задач теплопроводности при переменных константах. Известия АН СССР, 01Н, 1946, № 12, с. 346-352.

14. Глухенький А.И., Равва Ж.С. Расчет осевых температурных перемещений шпинделя станка вследствие тепловыделений в подшипниках качения.- Сб."Динамика, прочность, контроль и управление- 70".-Куйбышев: КПтИ, 1972, с. 353-357.

15. Глухенький А.И., Равва Ж.С. Расчет температурных полей стенки и вала, возникающие вследствие тепловыделений в подшипниках качения.- Сб. "Динамика, прочность, контроль и управление 70".-Куйбышев: КПтИ, 1972, с. 367-376.

16. Глухенький А.И., Панов H.H., Равва Ж.С. Стабилизация температуры в прецизионных станках с помощью полупроводниковых охлаждающих устройств.- Станки и инструмент, 1972, № 3,с.9-10.

17. Гохват Л.Я. Исследование процесса шлифования торцов внутренних колец роликоподшипников на двусторонних торцешлифова-льных станках.- Труды семинара по вопросам прогрессивных методов шлифования.- М.: ОНТЙ ШИИПП, 1964, с. 57Й62.

18. Зенкевич 0. Метод конечных элементов в технике•-М.:Мир,1975.- 541 с.

19. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел,- М.: Наука, 1964.- 487 с.

20. Козлов Б.А., Кузнецов A.M. Исследование сил резания при двустороннем торцепшифовании.-Станки и инструмент, 1973, Р 7, с. 28-29.

21. Козлов Б.А. Исследование точности процесса двустороннего плоского шлифования.- Дис. . канд. техн. наук.- М., 1972.140 л.

22. Корсаков B.C., Бурцев В.М., Дибиров С.Ю. Влияние тепловых деформаций станков на точность обработки отверстий.-Известия высших учебных заведений. Машиностроение, 1976, № II, с. 164-166.

23. Кошкин В.К., Калинин Э.К. Теплообменные аппараты и теплоносители.- М.:Машиностроение, 1971.- 200 с.

24. Кузнецов А.П. Исследование и расчет влияния теплового режима станков с ЧПУ на их параметрическую надежность.-Дис. . кавд. техн. наук.- М., 1981.- 264 л.

25. Лыков А.В. Теория теплопроводности.- М.: Высшая школа, 1967.- 599 с.

26. Малкин, Андерсен.Тепловые аспекты шлифования.-4.1. Разделение полной энергии шлифования.- М.:Мир, 1973, с.84-91.

27. Математическая статистика: Учебник / Иванова В.М., Калинина В.Н., Нешумова Л.А. и др. 2-е изд., перераб. и доп.-М.: Высшая школа, 1981.- 371 с.

28. Материалы семинара "Будущее станка высокой точности"-Швейцарская выставка станков "Станкэкс-78"- М., 1978.

29. Михеев М.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи.- М.: Энергия, 1973,- 320 с.

30. Ольховский Н.В. Измерение температурных деформаций базовых деталей станков в процессе шлифования.- Станки и инструмент, 1968, № 10, с. 21.

31. Панов H.H., Равва Ж.С., Глухенький А.И. Методы повышения точности металлорежущих станков путем снижения их температурных деформаций.- В сб. "Механика".- Куйбышев: книжн. из-во, 1969, с.45-51.

32. Паперный Е.А., Эйделыптейн И.А. Погрешности контактных методов измерения температуры.- М.: Энергия, 1966.- 95 с.

33. Пидодня В.Г., Хорольский В.М., Мурзаков Х.Е. Исследование процесса разогрева шпиндельного узла с учетом изменения вязкости смазки от температуры.- Сб. "Повышение устойчивости и динамического качества металлорежущих станков".- Куйбышев, 1977.- с. 73-78.

34. Пидодня В.Г. Исследование влияния нестационарного теплообмена и температурных деформаций шпиндельных узлов металлорежущих станков на точность обработки- Дис. . канд. техн. наук.- Куйбышев, 1978.- 185 л.

35. Пилинский В.И. Теоретическое и экспериментальное определение температурного поля в изделии при плоском торцовом шлифовании.- В кн.: Теплофизика технологических процессов.-Куйбышев: КПтИ, 1970, с. 104-109.

36. Полтавцев О.Ф., Соколов A.A. Методы контроля, регистрации и снижения температуры и температурных деформаций металлорежущих станков. Обзор.- М.: НИИмаш, 1982.- 36 с.

37. Равва Ж.С., Гаврилов Б.М., Хенкина Э.Н. К методике моделирования температурных полей столов прецизионных станков.-В кн.: Информационное обеспечение, адаптация, динамика и прочность систем 74.- Куйбышев, 1976.- с. 97-101.

38. Райт В.В. Повышение производительности процесса плоского торцового шлифования кругами на бакелитовой связке,- Дис. . канд. техн. наук.- Челябинск, 1981.- 235 л.

39. Ребиндер П.А., Епифанов Г.И. Об энергетическом балансе процесса резания металлов.- Доклады АН СССР, 1949, т.16, №4.

40. Редько С.Г. Процессы теплообразования при шлифовании металлов Саратов: Из-во Сарат. ун-та, 1962.- 231 с.

41. Резников А.Н. Теплофизика резания. М.:Машиностроение, 1969.- 288 с.

42. Рейдман Л.Г. Исследование влияния тепловых деформаций на параметрическую надежность широкоуниверсальных фрезерных станков высокой точности.- Дис. . канд. техн. наук.- Одесса, 1979.- 310 л.

43. Связкина Т.М. Исследование влияния температурных деформаций токарных автоматов на их точность. Дис. . канд. техн. наук.- Л., 1972.- 248 л.

44. Сегерлинд Г. Применение метода конечных элементов.- М.: Мир, 1979.- 320 с.

45. Сегида А.П. Расчет стационарных температурных полей металлорежущих станков.- Вестник машиностроения, 1982, № 9, с. 37-41.

46. Сипайлов В.А. Тепловые процессы при шлифовании и управ-лениекачеством поверхности. М.: Машиностроение, 1978.- 168 с.

47. Соколов Ю.Н. Температурные расчеты в станкостроении.-М.: Машгиз, 1968.- 77 с.

48. Соколов Ю.Н. Расчет температурных полей и температурных деформаций металлорежущих станков. Руководящие материалы.-М.:ЭНИМС, ЦБТИ, 1958.- 82 с.

49. Теория тепломассообмена. Под ред. Леонтьева А.И. М.: Высшая школа, 1979.- 495 с.

50. Теплофизические свойства веществ. Справочник под ред. Варгафтика.- Л.: Госэнергоиздат, 1956.- 367 с.

51. Уонг X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров. М.: Атомиздат, 1979.- 216 с.

52. Шадюшин С.А. Исследование процесса прерывистого ступенчатого шлифования.- Дис. . канд. иехн. наук.- Челябинск, 1975.- 237 л.

53. Шахновский С.С. Мощность при двустороннем торцешлифовании.-Станки и инструмент, 1972, Р 3, с. 18-20.

54. Шахновский С.С. Повышение точности и производительности процесса двустороннего торцешлифования.- Дис. . канд. техн. наук.- М., 1979.- 205 с.

55. К}цаев Б.Н. Теплопередача.- М.: Высшая школа, 1981.- 320 с.

56. Сатега Д., Jai/ateto M., Mliitano b'ßptiCe Т. Jtnaíysis of ihe thermal iehairioa? of a machinetool iatte using Ibe finde element method. "C.I.R.R Jtnn,. 197$, 25, V/, p.297-300 ( ЗИ AM, 1977, Вып. 7, peep. 27),

57. HtmLnqiay С.P. Some aspects of the accuzacy evaluation of machine toots. "Ргос. iHh cßht.171 ach. loot Pes. and Pes. Con/,, iïj ûvchesiez, 1973" Jiondon-Basingstoke, 19?4, 2S1-2&4 ( эи AM, /975, &ЫП. 45, petp. ¿40).

58. Okushima K, KakCno Y. Compensation of ihetmai disptacemeni éy coordinate system cQtzeciion, "C.I.R.P/ 1975, 24, л//, 327-33/ (ЭИ AM, 1975, Вып. 48, petp. 262).

59. Толеег Рек ¿en Lk. 7empeiQÍuit defotmotions of grinding machines.„ Itansaktions of JSfílí "seii.es P, 19S1

60. Rowe W. 3. An expeiimentot ínvisiigotlon of gtLndlng machine comptionces and Lmpiovtment in piodüctivity. "Ргос. 1Hh (fui, Mach, loot Ъеь. and Res. . Co/»f., monchesiez , 1973," olondon-basingstoke, 1974. /ЭИ AM, 1в?5, hb\n.35t pecp.20S).

61. So t) e £. Waime defoimatíonen uñd Si ei tig kei ten. iei WeikuugrnQschLnen.„Weiksiatt und tetiieS" 9$?t 100, Mz 3, s. ¿19-226.

62. KSCUSS, №-275 ( 4M, í975( ¿ьт. Ъ2,реср. 195)

63. Jhezmai effects „ Spesif and Tests fffeiat Cuit.77Och. Toots"

64. Tlysty ftlulch £ £ Testing and ew£uaiingihezmol de-fomotions of machine 1ооЕ$."Ргос. Mhh tint. Mach. Toot Dei. and Res. Conf,, ШапсНЫп, 1973'! оLondon- basing stoke, 197b , p.285- 2B7.

65. WamiedefoimoUon an SehitCfmdschinen, Jus^it ¿с/прея und Pegenmafiftafimen. Weiei EwatcL. "Sch teifefi, Monen, о/a"ppen und Pot let en, Veffahien und ftlascUnen5i dusf. Satje, Essen: iruitan-ntis.eM-255.