Модель тепловых деформаций шпиндельного узла сверлильного станка

УДК 621.9.06

МОДЕЛЬ ТЕПЛОВЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ШПИНДЕЛЬНОГО УЗЛА СВЕРЛИЛЬНОГО СТАНКА

А. В. Липов, Г. С. Большаков, В. В. Панчурин

THE MODEL OF THERMAL DEFORMATIONS SPINDLE ASSEMBLY DRILLING MACHINE

А. V. Lipov, G. S. Bolshakov, V. V. Panchurin

Аннотация. Актуальность и цели. Тепловые деформации шпиндельных узлов, возникающие в процессе работы металлорежущих станков, могут оказывать значительное влияние на точность обработки. Особенно это важно для прецизионных станков. Оценка величин температурных деформаций на стадии проектирования станочного оборудования является сложной задачей, и ее решение возможно только с использованием специализированных программных средств. Цель работы - проанализировать возможность применения программного пакета Solid Works и приложения Simulation для расчета температурных деформаций шпиндельных узлов станков в процессе их работы. Материалы и методы. Разработана методика создания трехмерной твердотельной модели шпиндельных узлов, и определена последовательность проведения расчетов температурных деформаций в переходный и установившийся периоды работы станочного оборудования. Использованы методы расчета теплоот-вода путем конвекции и излучения. Результаты. Проведен расчет температурных деформаций шпиндельного узла сверлильно-расточного станка. Установлено, что после работы в течение 1,5 мин зависимость изменения температурных деформаций от времени становится линейной, что может быть использовано для осуществления автоматической коррекции при обработке. Выводы. Установлена возможность применения программного пакета Solid Works и приложения Simulation для расчета температурных деформаций шпиндельных узлов станков при их работе. При этом моделирование тепловых деформаций позволяет определить степень их воздействия на погрешность обработки и назначить мероприятия для уменьшения их влияния на ее точность.

Ключевые слова: тепловые деформации, шпиндельный узел, источник тепла, потери, твердотельная модель, тепловое равновесие, конвекция, излучение, тепловая мощность, устойчивое состояние, переходное состояние.

Abstract. Background. Thermal deformation of the spindle units that occur in the process of cutting machines, can have a significant influence on the machining accuracy. This is especially important for precision machine tools. Estimated values of thermal deformation at the design stage of the machine equipment is a complex task and its solution is possible only with the use of specialized software. The objective was to evaluate the use of the software package, Solid Works and applications Simulation for calculating the thermal deformation of the spindle nodes mills in the course of their work. Materials and methods. Developed a method of creating three-dimensional solid model spindle units and the sequence of calculations of thermal strains in the transition and steady-state periods of operation of the machine equipment. Methods of calculation of heat transfer by convection and radiation. Results. Calculation of temperature deformations spindle assembly boring machine. It was found that after working for 1.5 min dependence of the change of temperature deformations from time becomes linear, which can be used for automatic correction during processing. Conclusions. The possibility of the application of the software package, Solid Works and application Simulation to calculate the temperature deformations spindles of

machine tools in their work. Modeling the thermal deformation allows to determine the degree of their influence on the error handling and assign activities to reduce their impact on its accuracy.

Key words: thermal deformations, spindle unit, the source of heat, loss, solid model, heat balance, convection, radiation, thermal power, steady state, transition state.

Тепловые деформации узлов металлорежущих станков, возникающие в результате нагрева деталей, - одна из составляющих погрешностей обработки. Источниками тепла в станках являются электродвигатели, механические передачи, подшипники и т.д. Под действием тепловых деформаций происходит смещение инструмента относительно заготовки. Причем эти погрешности изменяются во времени от начала работы до достижения теплового равновесия, т.е. состояния, при котором температура деталей больше не изменяется. Наибольшее влияние тепловые деформации оказывают в прецизионных станках, а также в автоматизированном оборудовании.

Для уменьшения тепловых деформаций проводят ряд мероприятий (уменьшение мощности резания, различные схемы монтажа опор шпинделя и различные компоновки привода главного движения). Все мероприятия направлены на уменьшение выделения тепла или на удаление его источников от шпиндельного узла. Однако расчет величины тепловых деформаций для оценки эффективности применяемых решений при конструировании технологического оборудования является сложной задачей, которая может быть решена только с использованием специализированных программных средств, например с помощью программного пакета SolidWorks и приложения Simulation. Определение тепловых деформаций при разработке технологических процессов обработки точных деталей позволяет назначить рациональные режимы этой обработки. Решение данной задачи рассмотрено на примере шпиндельного узла сверлильно-расточного станка.

Шпиндельный узел (рис. 1) является исполнительным устройством привода главного движения и передает мощность резания инструменту. Источниками тепла в шпиндельном узле являются зубчатая передача и подшипники, смонтированные с предварительным натягом для обеспечения требуемой жесткости. Потери в шпиндельном узле могут быть определены приблизительно через передаваемую мощность и коэффициент полезного действия элементов привода или по известным методикам расчета потерь в элементах привода [1]. Потери мощности рассеиваются в виде тепловой энергии.

Рис. 1. Шпиндельный узел 125

Расчет тепловых деформаций осуществляется в определенной последовательности.

1. Строится трехмерная твердотельная модель шпиндельного узла.

2. Для определения тепловых деформаций в состоянии установившегося теплового равновесия, т.е. при неизменной температуре элементов станка, в приложении SolidWorks Simulation выполняется термический анализ устойчивого состояния. При этом в качестве нагрузок указываются тепловая мощность источников тепла (зубчатое колесо и подшипники), а также способы отвода тепла - конвекция и излучение. При задании конвекции и излучения указываются температура окружающей среды и коэффициенты, определяющие интенсивность этих процессов. В результате выполнения теплового анализа определяются температуры различных участков конструкции. Расчет показал, что температура отдельных участков шпинделя достигает 100 °С.

3. Для определения тепловых деформаций в состоянии установившегося теплового равновесия выполняется статическое исследование. В свойствах исследования на вкладке «Тепловые эффекты» указывается «термическое исследование» для определения температуры конструкции.

4. Определяются схема закрепления узла и соединение его компонентов. В итоге расчета находятся напряжения и деформации конструкции в результате ее нагрева. Интересующим нас результатом является смещение переднего конца шпинделя по трем осям координат, при этом наибольшее влияние на точность обработки оказывает смещение переднего конца шпинделя вдоль его оси [2]. Расчет показал, что в установившемся тепловом режиме это смещение составляет 0,115 мм.

Расчет тепловых деформаций в переходном режиме, т.е. с момента включения станка, производится в такой последовательности.

1. Выполняется термический анализ устойчивого состояния для определения начальной температуры элементов конструкции до включения станка. В качестве исходной принимается температура 20 °С.

2. Осуществляется термический анализ переходного состояния. При этом указываются общее время расчета и шаг времени (в данном случае 240 и 30 с соответственно). В свойствах исследования на вкладке «Тепловые эффекты» выбирается «термическое исследование» для определения начальной температуры конструкции. Указывается тепловая мощность источников тепла (зубчатое колесо и подшипники), а также способы отвода тепла - конвекция и излучение. В результате выполнения теплового анализа переходного состояния определяются температуры различных участков конструкции в моменты времени от нуля через промежутки, указанные в шаге расчета.

3. Для определения тепловых деформаций выполняются статические исследования для каждого момента времени (шага расчета переходного состояния). В свойствах исследования на вкладке «Тепловые эффекты» указываются «термическое исследование» для определения температуры конструкции и номер шага его расчета. Для каждого исследования определяются схема закрепления узла и соединение его компонентов. В итоге расчета определяются напряжения и деформации конструкции в результате ее нагрева через интервал времени, указанный в шаге расчета. Оценив величину тепловой

деформации в последнем шаге расчета и в устойчивом состоянии, определяют необходимость увеличения времени расчета теплового анализа.

4. Если периоды работы чередуются с остановкой оборудования, например для смены заготовки, то для каждого периода работы выполняется исследование переходного процесса с настройками, указанными в п. 2. После этого проводится термический анализ переходного процесса, исходная температура для которого - последний шаг исследования периода работы. Тепловыми нагрузками являются только конвекция и излучение, под действием которых происходит уменьшение температуры. При необходимости продолжения цикла указанные действия повторяются. При этом исходной температурой последующего термического анализа является последний шаг предыдущего.

На рис. 2 приведена зависимость тепловых деформаций от времени работы станка. Из графика следует, что зависимость является линейной, начиная с 1,5 мин работы, и может быть использована для осуществления автоматической коррекции при обработке. Моделирование тепловых деформаций позволяет определять степень их воздействия на погрешности обработки путем сравнения с допуском на обработку и назначать мероприятия для уменьшения влияния тепловых деформаций на ее точность.

1, мин

Рис. 2. Зависимость смещения переднего конца шпинделя вдоль его оси от времени работы сверлильно-расточного станка

Список литературы

1. Металлорежущие станки : метод. указания для выполнения практических и лабораторных работ / сост.: И. И. Михеев, Е. Н. Ярмоленко. - Пенза : ИИЦ ПГУ, 2009. - 72 с.

2. Глахтеев, В. Ю. Стенд для исследований процесса сверления отверстий малого диаметра / В. Ю. Глахтеев, И. И. Михеев, Е. Н. Ярмоленко // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2013. - № 2 (6). - С. 154-156.

Липов Александр Викторович

кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой компьютерного проектирования технологического оборудования,

Пензенский государственный университет E-mail: mrs@pnzgu.ru

Большаков Герман Сергеевич кандидат технических наук, доцент, кафедра компьютерного проектирования технологического оборудования, Пензенский государственный университет E-mail: mrs@pnzgu.ru

Панчурин Владимир Васильевич

кандидат технических наук, доцент, кафедра компьютерного проектирования технологического оборудования, Пензенский государственный университет E-mail: mrs@pnzgu.ru

Lipov Alexander Viktorovich candidate of technical sciences, associate professor,

head of sub-department of computer-aided design of process equipment, Penza State Univetsity

Bolshakov German Sergeevich candidate of technical sciences, associate professor,

sub-department of computer-aided design of process equipment, Penza State Univetsity

Panchurin Vladimir Vasilevich candidate of technical sciences, associate professor,

sub-department of computer-aided design of process equipment, Penza State Univetsity

УДК 621.9.06 (07) Липов, А. В.

Модель тепловых деформаций шпиндельного узла сверлильного станка /

А. В. Липов, Г. С. Большаков, В. В. Панчурин // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2014. - № 4 (12). - С. 124-128.