Анализ виброактивности металлорежущих станков

УДК 621.9.06

Е. В. Раменская

АНАЛИЗ ВИБРОАКТИВНОСТИ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ

Рассматриваются особенности автоматизированного расчета основных компонент вибрации металлорежущих станков. Разработанная программа расчета позволяет анализировать виброактивность станков в процессе проектирования и эксплуатации. Приводится зависимость линейно-массовых параметров конструкции шпинделя на виброскорость станка.

Уровень виброактивности металлорежущих станков должен закладывается в процессе их проектирования и конструирования, но успешному решению проблемы снижения виброактивности препятствует отсутствие четко сформулированных и систематизированных теоретических разработок с анализом конструктивных параметров станков. Создание станков с нормированной виброактивностью является основной задачей повышения их технического уровня. Реализация идеи снижения виброактивности повысит долю прогрессивного металлообрабатывающего оборудования.

В металлорежущих станках (МРС) основным источником вибрации является механизм главного движения (МГД), его доля составляет 90 % от общей вибрации станка. Главной частью МГД МРС является шпиндельная сборка, представляющая наибольший интерес в процессе изучения, анализа, управления, формирования и снижения виброактивности металлорежущих станков.

Вибрация возникает при ведении технологического процесса и трансформируется со смежных объектов, влияет на рабочие процессы, протекающие в конструкции механизмов металлорежущих станков.

В качестве объекта исследования выбрана шпиндельная сборка прецизионного металлорежущего станка, предметом исследования являются виброкомпоненты - виброскорости горизонтально фрезерного станка специального назначения для обработки деталей типа «оболочка».

При проектировании и эксплуатации МРС для увеличения качества станка, производительности и эффективности труда необходимо учитывать требования прочности, жесткости и устойчивости конструкции, все эти показатели затрагивают вопросы вибрации.

В ходе обзора было выяснено, что из известных статических и динамических методов оценки качества станков наиболее прогрессивным и точным является вибрационный метод, позволяющий комплексно оценить техническое состояние при минимальных материальных затратах, а также что нормативные показатели виброкомпонент металлорежущих станков отсутствуют.

Вибрационный метод анализа и определения технического состояния предусматривает начальное имитационное моделирование динамических процессов анализируемого объекта исследования при отсутствии норм вибрации.

Для моделирования динамического процесса в МРС используют динамическую модель. Под динамической моделью понимают описание механизма, отражающее его динамические свойства и связи с помощью совокупности символов, условных обозначений и аналитических приемов с условием, что динамические воздействия на

модель вызывают реакцию, идентичную реальной в механизмах. При описании динамических моделей учитываются масса, жесткость, демпфирование, перемещение системы от возмущающей силы, изменяющейся в момент времени.

По ГОСТу 12.1.912 для измерения компонент вибрации назначают характерные точки и области, такие как корпусные поверхности в зоне опор шпинделя, поверхности базирующих плоскостей столов, место контакта станины с фундаментом. Поэтому рассматриваем значения виброскорости: пиковое - в интегральной экстремальной точке (ИЭТ) (вверху опоры); среднее - в локальной средней точке, (ЛСТ) в зоне резания (например, на столе); минимальное - в локальной нижней точке (ЛНТ) (например, на фундаменте).

Основной функцией вибрации является виброскорость, которая представляет первую производную виброперемещения по времени -

и = — Д м/с.

ж

Целевая функция вибрации [1] имеет вид

и = /

где к. - многоуровневые частоты; х*. - характерное допустимое координатное перемещение.

Частота процесса пропорциональна угловой скорости вращения шпинделя и варьируется на трех уровнях: кр - пиковом (ГОСТ 22061), ке - эффективном среднем и кт - минимальном.

Функция (2) позволяет выполнять анализ динамики шпиндельных сборок с рассмотрением их виброскорости.

Координатное перемещение осей вращения шпинделя и центров масс определяется общей функцией смещения оси шпинделя [2] по отношению к оси, проходящей через центры вращающихся масс:

/

где Яь - функция радиального биения шпинделя; 1Т - функция допуска формы и расположения отверстий характерной контактной пары; Ы - функция соответствующих допусков формы и расположения поверхностей характерных контактных пар вала; dT - функция допуска соосности посадочной поверхности подшипников; е - функция конструктивного и технологического дисбаланса шпиндельно сборочных единиц (ШСЕ) по ГОСТу 22061; у - функция статического прогиба шпинделя.

Активное применение компьютерной техники позволяет прогнозировать выходные характеристики металлорежущих станков и их отдельных узлов, начиная со стадии проектирования. Это особенно актуально для дорогостоящих прецизионных станков, так как с помощью

компьютерного моделирования становится возможным уменьшить натуральные исследования и испытания, требующие не малых капиталовложений и времени на внедрение проектируемых станков.

Для расчета компонент вибрации ШCE разработана программа «Axel v.6» на языке Microsoft Visual Basic 6.0, позволяющая рассчитывать виброскорости MPC в характерных ИЭТ, ЛСТ, ЛНТ; для работы с данной программой необходимо следующее:

- на основе существующего сборочного чертежа шпинделя, разработать расчетную модель, которая позволит обоснованно и целенаправленно вести динамический анализ конструкций MPC на основе вибромеханики;

- проработать необходимые начальные условия, граничные и краевые ограничения с учетом проектируемой сборки;

- подготовить входные параметры, необходимые для расчета программы: типы опор, конструкцию и схему расположения опор, посадки подшипников качения, габариты и межопорное расстояние шпинделя и т. д.;

- провести расчет виброскоростей в трех локальных точках с помощью разработанной программы «Axel v.6»;

- провести ряд расчетов по программе «Axel v.6» с различными линейно-массовыми параметрами;

- по результатам выходных параметров проанализировать виброскорость.

После запуска программы «Axel v.6» необходимо заполнить три формы ввода данных: характеристики шпинделя (рис. 1); характеристики опор (рис. 2) и характеристики шпиндельно сборочных единиц (рис. 3), а после выбора количества контактных точек, ввести для каждой допуск на размер.

где I - общая длина шпинделя, формируется исходя из функционального назначения, прочности и устойчивости или по прототипу станка; Ь - расстояние между опорами; а - длина консольной части около инструмента; Ь - длина консольной части противоположной от инструмента;

- опорами для ШСЕ выбирают подшипники качения;

- точки приложения сил и реакций определяются по рекомендации Р 50-83-88 «Расчеты и испытания на прочность, расчеты на прочность валов и осей», разработанной институтом машиноведения АН СССР, Московским научно-техническим комплексом «Надежность машин», Госстандартом;

- радиальное биение шпинделя рассчитывают по условию точности опор, категориям вибрации и ряда трения класса точности подшипника;

- назначают поля посадок по условию работы и нагружение колец, особенности конструкции сборки;

- определяют класс точности балансировки шпинделя и вероятностную величину эксцентриситета оси вращения;

- рассчитывают приведенные подвижные массы деталей механизма, массы элементов с учетом связей, передающих крутящий момент.

Рис. 1. Окно ввода данных характеристик шпинделя

Входные параметры для расчета компонент вибрации:

- линейно-массовые характеристики шпиндельных сборок определяются из условий эксплуатации МРС или рассчитываются исходя из рекомендации

а > 0,222 • I; Ь > 0,382 /; Ь =

Рис. 2. Окно ввода данных характеристик передней и задней опор

Для наглядности на форме ввода характеристики шпинделя представлена расчетная модель шпинделя с указанием длин консолей, межопорного расстояния и общей длины.

На третьей форме - характеристики ШСЕ - для примера приводится сборочный чертеж с выбором контактных точек. Максимальное число точек контакта, предусмотренное в программе, равно 18.

К неуправляемым параметрам, неизменяемым в процессе оптимизации, можно отнести частоту вращения шпинделя, постоянство крутящего момента или мощности на данной единичной скорости. К управляемым параметрам МРС, переменным в процессе проработки, относят: линейные и массовые параметры шпиндельной сборки; внутренние параметры элементов опор качения; классы точности опор; точности балансировки; допуски на размеры контактных пар.

В результате отработки программа выдает результаты расчета (рис. 4). Разработанная программа имеет многооконный интерфейс, что позволяет анализировать и сравнивать множество вариантов расчетов шпиндельных сборок. Таким образом, процедура анализа выполняется с минимизацией допустимого решения по выбранным компонентам вибрации.

Рис. 3. Окно ввода данных характеристик шпиндельно сборочных единиц

Ниже приводятся зависимости линейно массовых параметров конструкции ШСЕ прецизионного фрезерного станка на виброскорости, представленные по результатам работы программы «Axel v.6». По диаграмме измерения виброскорости от длины межпролетной части (рис. 5) видно, что с увеличением расстояния между опорами виброскорость уменьшается незначительно. Исходя из данных диаграммы изменения виброскорости от длины передней консоли (рис. 6), можно сделать вывод: удлинение консоли на виброскорости сказывается незначительно, но увеличивается виброскорость. Значительное изменение виброскорости в пиковой ИЭТ наблюдается при изменении (рис. 7) внутреннего диаметра и других соответствующих параметров передней опоры (подшипника качения), причем с увеличением диаметра опоры виброскорость повышается.

Рис. 4. Окно результатов расчета программы «Axel»

Разработанная программа «Axel v.6» предоставила возможность рассматривать вопросы управления формированием виброактивности металлорежущих станков уже на стадии разработки конструкторской документации.

В ходе работы были сделаны выводы, что в первую очередь необходимо рассматривать и анализировать виброскорости на шпиндельной сборке, то есть в пиковой ИЭТ, как наиболее высокие по значению и стремиться к их минимизации.

Рис. 5. Диаграмма изменения виброскорости от длины пролета между опорами Ь

Рис. б. Диаграмма изменения виброскорости от длины консоли a

Рис. 7. Диаграмма изменения виброскорости от линейных размеров первой опоры качения

Подшипники качения являются главными источниками вибрации вследствие гранности и ассиметрии расположения тел качения, непостоянства зазоров и натягов в соединениях, неуравновешенности сепаратора. В опорах шпиндельных сборок происходит перекомпоновка поверхности контакта соединения тела качения и дорожки качения, приводящее к изменению частоты процесса и снижению ресурса подшипника в 1,7 раза.

Дальнейшая работа с программой «Axel v.6» дает возможность оперативно получать необходимые данные и проводить их анализ для диагностики МРС по вибрации, для создания баз данных по расчетам разнотипных станков с различными компоновками и линейно-массовыми параметрами.

Разработанный программный продукт по определению компонент вибрации по конструкторской документации прошел частичную верификацию и используется при анализе технических решений. В дальнейшей работе предполагается нормировать МРС по виброскорости в пиковой характерной области, ограниченной контуром станка.

Установлены технологические и конструктивные факторы, влияющие на вибрационные процессы, разработаны методики анализа компонент вибрации для шпиндельных сборок МРС, позволяющие ускорить разработку проектного решения в 1,5 раза.

Результаты исследования на многочисленных тестовых примерах показали высокую эффективность разработанной программы.

Библиографический список

1. Филиппов, Ю. А. Виброактивность проектируемых станков / Ю. А. Филиппов // Труды конференции Проблемы обеспечения качества изделий в машиностроении МНТК AMSE. Красноярск, 1994. С. 67-74.

2. Раменская, Е. В. Анализ вибрационных компонент металлорежущих станков / Е. В. Раменская // Решетневс-кие чтения: материалы X Междунар. науч. конф., посвящ. Памяти генерального конструктора ракетно-космических систем академика М. Ф. Решетнева ; Сиб. гос. аэрокос-мич. ун-т. Красноярск, 2006. С. 187-188.

E. V. Ramenskaja

THE ANALYSIS OF VIBRATION ACTIVITY OF METAL-CUTTING MACHINE TOOLS

Features of the automated calculation of the basic components ofvibration ofmetal-cutting machine tools are considered. The developed program of calculation allows to analyze vibration of activity machine tools during designing and operation. Dependence of linearly-mass parameters of the design of spindle on speed vibration of the machine tool is resulted.

УЦК 621-2.002.2; 621.002.3-419

Н. А. Смирнов, А. В. Лаврищев

АВТОМАТИЗАЦИЯ ВЫБОРА ПАРАМЕТРОВ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ПОЛУЧЕНИЯ МЕТАЛЛОПОЛИМЕРНОГО ПОКРЫТИЯ СПОСОБОМ ДИФФУЗИОННОЙ СВАРКИ В ВАКУУМЕ

Приведены результаты лабораторных испытаний новых металлополимерных материалов с высокой износостойкостью. Материалы получены способом диффузионной сварки в вакууме и предназначены для работы в опорах скольжения, могут работать без смазывания. Описана система автоматизированного выбора параметров технологического процесса.

Полимерные и металлополимерные конструкционные материалы широко используются в различных областях техники в качестве антифрикционных, износостойких, защитных, декоративных покрытий. Многие машины и аппараты работают в экстремальных условиях: при высоких динамических и статических нагрузках, температурах, радиационных и электромагнитных полях различной природы и интенсивности. Одним из наиболее слабых звеньев в совокупности проблем обеспечения требуемого технического уровня машин является недостаточный уровень гарантированной работоспособности механизмов и элементов исполнительных устройств, содержащих опоры скольжения типа направляющих, шарнирных соединений.

Перспективными направлениями совершенствования конструкций деталей опор скольжения являются применение конструкционных армированных композиционных материалов, автоматизация технологических процессов, повышение эксплуатационных свойств рабочих поверхностей с помощью покрытий.

Автоматизация производства деталей опор скольжения требует предварительного решения задач, связанных с обеспечением высокой удельной прочности и износостойкости.

Постоянно возрастающие технико-эксплуатационные требования к материалам и покрытиям деталей и элементов машин и аппаратов имеют определяющее значение при автоматизации технологических процессов, так как