УСТРОЙСТВО ДЛЯ ДИАГНОСТИКИ СОСТОЯНИЯ ШПИНДЕЛЬНОГО УЗЛА

Устройство для диагностики состояния шпиндельного узла
Техническое решение относится к области станкостроения и предназначено для проведения диагностики шпиндельных узлов металлорежущих станков.
В настоящее время промышленность выпускает стенды и приборы для контроля параметров виброакустических сигналов, по которым можно судить о динамике упругой системы станка и состоянии подшипниковых узлов (Балицкий Ф.Я., Иванова М.А., Соколова А.Г., Хомяков Е.И. Виброакустическая диагностика зарождающихся дефектов. - М.: Наука, 1984, с. 76-82). Сборка высокоскоростных шпиндельных узлов проводится в термостатированных помещениях по строго определенной методике со строгим контролем отклонений отдельных деталей от заданной геометрии, а после сборки шпиндель подвергается многочасовой обкатке на специальном стенде с регистрацией температуры в нескольких точках узла и момента сопротивления вращению.
К недостаткам известных стендов следует отнести то обстоятельство, что контролируя только температуру, нельзя проникнуть в сущность процессов, протекающих в шпиндельных узлах при холостом вращении шпинделя и при работе под нагрузкой. Сегодня назрела необходимость применения новых методик и способов виброакустической диагностики, позволяющих значительно глубже по сравнению с контролем температуры проникать в сущность процессов, протекающих в шпиндельных узлах, как при холостом вращении шпинделя, так и при работе под нагрузкой.
Наиболее близким техническим решением по технической сущности и достигаемому результату - прототипом - является устройство для определения динамического качества шпиндельного узла, содержащее станину с закрепленными на ней резцедержателем с резцом, шпиндельной бабкой, предназначенной для установки в ней шпиндельного узла, используемого для соосной фиксации и для обработки резцом цилиндрической оправки с продольным пазом со стенками, расположенными в радиальном направлении и параллельными оси шпинделя, средства регистрации измеряемых параметров и интерпретации измеренных данных в процессе резания (RU №122483 U1, опубл. 27.11.2012). Согласно прототипу устройство, содержащее датчики и компьютер, на котором производится построение траектории оси оправки шпинделя, включает в себя станину, на которой посредством опор закреплена шпиндельная бабка со шпиндельным узлом, установленным в подшипниках качения, в котором закреплена оправка с продольным, вдоль оси шпинделя, пазом, при этом края паза имеют строго радиальное направление для того, чтобы выход и вход в паз режущего инструмента был коротким по времени, при этом паз выполнен заданной глубины, реализующей амплитуду входного импульсного воздействия, а частота входного импульсного воздействия задается скоростью вращения шпинделя, причем в сечении, перпендикулярном оси шпиндельного узла станка, паз выполнен с наклонными боковыми поверхностями, лежащими в плоскостях, пересекающихся по линии, совпадающей с осью оправки, и в плоскости, перпендикулярной оси шпинделя, совпадающей с центром окружности, при этом поверхность, соединяющая боковые плоскости, представляет собой часть цилиндрической поверхности, эквидистантной внешней цилиндрической поверхности оправки, а подаваемое на исследуемый объект усилие измеряют с помощью пьезоэлектрических динамометров, жестко закрепленных на режущем инструменте и расположенных во взаимно перпендикулярных плоскостях, сигналы с которых поступают на преобразователь сигналов, соединенный по линии связи с управляющим блоком, причем в верхней части шпиндельной бабки жестко закреплен трехкомпонентный акселерометр, выполняющий измерение колебаний по трем координатам X, Y, Z, сигналы с которого также поступают на обрабатывающий блок, содержащий компьютер со специально ориентированным пакетом программ для регистрации параметров входного воздействия, генерирующего импульсное нагружение шпинделя, и получения ответной реакции этого воздействия в виде амплитудно-частотных характеристик (АЧХ) шпинделя, а также отображения графиков получаемых характеристик по трем координатам X, Y, Z.
Недостатком известного технического решения является сравнительно невысокая точность определения качества шпиндельного узла особенно при высокой частоте его вращения, обусловленная дисбалансом оправки и, вследствие этого, невозможностью проведения испытаний на высоких оборотах. Наличие одностороннего паза - источника дисбаланса - доводит погрешность измерений амплитудно-частотных характеристик (далее - АЧХ) шпинделя до 10% и более. При испытании на высоких оборотах шпиндельного узла сила дисбаланса растет пропорционально квадрату частоты вращения, создавая недопустимые нагрузки на опоры шпинделя и опасность вырыва оправки с соответствующими последствиями.
Задача полезной модели - устранение конструктивного дисбаланса оправки.
Достигаемый технический результат - повышение точности диагностики состояния шпиндельного узла.
Поставленная задача решается, а заявленный технический результат достигается тем, что в устройстве для диагностики состояния шпиндельного узла, содержащем станину с закрепленными на ней шпиндельной бабкой, предназначенной для установки в ней диагностируемого шпиндельного узла, и резцедержателем с резцом, цилиндрическую оправку с продольным пазом, выполненную с возможностью сосной фиксации в шпиндельном узле для ее обработки резцом и расположения стенок упомянутого паза в одной плоскости с режущей кромкой резца при их совмещении, трехкомпонентный акселерометр для измерения колебаний по трем координатам X, Y, Z, жестко закрепленный в верхней части шпиндельной бабки, и динамометры для измерения усилия резания, жестко закрепленные на резце во взаимно перпендикулярных плоскостях, при этом выходы упомянутого акселерометра напрямую, а выходы упомянутых динамометров через преобразователь сигналов подключены к блоку обработки и интерпретации сигналов, в упомянутой оправке выполнен второй паз, идентичный первому и расположенный диаметрально противоположно ему, оптимально, если резец выполнен с нулевым углом наклона главной режущей кромки, при этом упомянутый паз выполнен со стенками, размещенными в радиальных плоскостях, проходящих через центральную ось оправки и расположенными под углом друг относительно друга, не превышающим 36°.
Полезная модель поясняется иллюстрациями, где:
- на Фиг. 1 представлена схема устройства для диагностики состояния шпиндельного узла;
- на Фиг. 2 представлено поперечное сечение оправки, закрепленной в шпиндельном узле и предназначенной для обработки резанием.
Устройство для диагностики состояния шпиндельного узла состоит из станины 1 (Фиг. 1), на которой посредством опор закреплена шпиндельная бабка 2 со шпиндельным узлом 3, установленным в подшипниках качения, и закрепленным на ней акселерометром 4. В шпиндельном узле 3 закреплена оправка 5 с продольными вдоль оси шпинделя идентичными и расположенным диаметрально противоположно друг другу пазами 6, предназначенная для обработки резанием, при этом стенки пазов 6 выполнены в виде плоскостей, регулярно совмещающихся с режущей кромкой резца 7 при их прохождении вершиной резца (в частном случае, при нулевом угле наклона главной режущей кромки резца, стенки паза располагаются радиально) для того, чтобы выход и вход в паз 6 резца 7 был практически мгновенным по времени. Выход и вход резца в такой паз при цилиндрическом точении заготовки создает импульсное нагружение всей технологической системы станка, включая и шпиндельный узел. Реакция шпиндельного узла на такое импульсное возмущающее воздействие достаточно объективно оценивает динамическое качество шпиндельного узла 3. Пазы 6 выполнены заданной глубины, реализующей амплитуду входного импульсного воздействия, а частота входного импульсного воздействия задается частотой вращения шпинделя. Подаваемое на исследуемый объект усилие измеряют с помощью пьезоэлектрических динамометров 8 и 9, жестко закрепленных на режущем инструменте 7 и расположенных во взаимно-перпендикулярных плоскостях, сигналы с которых поступают к преобразователю сигналов 10, соединенному по линии связи 11 с обрабатывающим блоком 12. В верхней части шпиндельной бабки 2 жестко закреплен трехкомпонентный акселерометр 4, выполняющий измерение колебаний по трем координатам X, Y, Z, сигналы с которого также поступают на обрабатывающий блок 12, содержащий компьютер со специально ориентированным пакетом программ для регистрации параметров входного воздействия, генерирующего импульсное нагружение шпинделя, и регистрации ответной реакции этого воздействия в виде АЧХ шпинделя 3, а также отображения графиков получаемых АЧХ по трем координатам: X, Y, Z. Соответственно, обрабатывающий блок 12 является одновременно средством сбора данных о процессе резания и средством интерпретации измеренных в процессе резания данных, акселерометр 4 и динамометры 8 и 9 являются средствами измерения параметров процесса резания.
Устройство для диагностики состояния шпиндельного узла работает следующим образом. Проводится продольное точение оправки с пазами. При этом фиксируются сигналы, снимаемые с акселерометра 4 и с пьезоэлектрических динамометров 8 и 9. В обрабатывающем блоке 12 проводится спектральное преобразование сигналов для последующего построения АЧХ, как спектра отношений спектральных составляющих параметров вибраций к спектральным составляющим сигналов силы. Чем выше значения АЧХ, тем выше реакция шпиндельного узла на его импульсное нагружение при точении заготовки с пазами, тем ниже качество шпиндельного узла. При наличии дисбаланса возникает дополнительное силовое нагружение шпинделя, которое вызывается смещением оси оправки под действием сил дисбаланса, которое уже не связано с импульсами нагрузки, вызываемыми прерывистым резанием оправки с пазами. В результате неопределенность, имеющая место при построении АЧХ, вызываемая наличием ряда случайных факторов при резании, возрастает. Это особенно заметно при больших оборотах шпинделя, когда влияние дисбаланса оказывается соизмеримым или даже большим по сравнению с импульсами, вызываемыми резанием участков с пазом. Эксперименты показывают, что неопределенность получаемых АЧХ, выражаемая в ширине доверительного интервала, может возрастать от 10% при частоте вращения до 5000 об/мин до 100% и более при частоте вращения более 20000 об/мин. Проценты роста неопределенности значений АЧХ растут быстрее с увеличением центрального угла части оправки, занимаемой пазом. С увеличением частоты вращения оправки время переходных процессов, возникающих при врезании резца в стенки пазов, увеличивается, а время резания участков оправки без пазов сокращается. Это накладывает ограничения на размер паза. Для получения участков стационарного резания центральный угол, занимаемый пазом на цилиндрической поверхности оправки, рекомендуется делать в пределах 36°. Указанная величина центрального угла получена экспериментально и полностью соответствует данным прототипа (затухание колебаний, вызванных динамическим нагружением, при резании участков оправки без паза происходит на интервале до 40% оборота оправки).
Многократно проведенные эксперименты (не менее 15 повторов в каждой серии) при идентичных условиях на 5000 и 20000 об/мин показали, что как прототип, так и заявленное устройство для определения динамического качества шпиндельного узла, практически во всех сериях показывают единую тенденцию изменения получаемых АЧХ, однако разброс полученных значений в пределах произведенных серий составляет 3-7% для заявленного устройства и 12-117% для устройства-прототипа.
Изложенное позволяет сделать вывод о том, что поставленная задача - устранение конструктивного дисбаланса оправки - решена, и заявленный технический результат - повышение точности диагностики состояния шпиндельного узла - достигнут.
Таким образом, вышеизложенные сведения свидетельствуют о выполнении при использовании заявленного технического решения следующей совокупности условий:
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении относится к области станкостроения и предназначено для проведения диагностики шпиндельных узлов металлорежущих станков;
- для заявленного объекта в том виде, как он охарактеризован в формуле, подтверждена возможность его осуществления с помощью вышеописанных в заявке и/или известных из уровня техники на дату приоритета средств и методов;
- объект, воплощающий заявленное техническое решение, при его осуществлении способен обеспечить достижение усматриваемого заявителем технического результата.
Следовательно, заявленный объект соответствует критериям патентоспособности «новизна» и «промышленная применимость» по действующему законодательству.