Исследование статических и динамических характеристик шпиндельных узлов станков при автоматизированном проектировании

Считается, что ШУ имеет хорошие динамические характеристики, если его первая резонансная частота f1 превышает величину 500…600 Гц для станков нормального класса точности, и более 1000…1200 Гц для станков класса точности. Большинство ШУ работает в дорезонансной зоне (с частотой возмущающей силы меньшей, чем первая собственная частота). Некоторые высокоскоростные ШУ работает в зоне за резонансом, при этом необходимо применение специальных устройств для безопасного перехода через резонансную зону при разгоне и торможении.

Формы колебаний позволяют наглядно представить характер деформирования ШУ во время колебаний на различных собственных частотах. Их анализ позволяет выявить, какие именно участки шпинделя колеблются с максимальной амплитудой на той или иной частоте. Например, на частоте 820 Гц (рисунок 7) с максимальной амплитудой колеблется задний конец шпинделя, что вряд ли окажет заметное влияние на точность обработки. И, наоборот, на близкой частоте 888 Гц максимальная амплитуда наблюдается в зоне обработки, что может быть опасно.

Формы колебаний дают также представление о размахе колебаний по всей длине шпинделя, что важно, в частности для размещения масс (приводных колес, ротора встроенного электродвигателя и т.д.) на шпинделе.

Баланс демпфирования позволяет оценить, какой именно элемент ШУ сильней всего демпфирует (ослабляет) колебаний на каждой собственной частоте. Обычно сильней всего гасят колебания пружины (подшипники). Регулируя демпфирующую способность именно того подшипника, который сильней всего гасит колебания на самой опасной собственной частоте, можно снизить вибрации шпинделя. Добиться этого можно, например, изменяя натяг или тип смазки.

АФЧХ служит для оценки устойчивости динамической системы ШУ. Если график (годограф) АФЧХ включает в себя точку с координатами -1, j0, то система неустойчива (критерий Найквиста). Например, на рисунке 10 показана АФЧХ устойчивого ШУ. Обычно значение, при котором график пересекает вещественную ось в отрицательном направлении равно -0.3…-0.6. В случае неустойчивости ШУ может иметь смысл несколько увеличить жесткости подшипников, уменьшить присоединенные массы или изменить их расположение.

Таблица и график АЧХ динамической податливости по дисбалансу eD позволяет определить перемещение заданной точки ШУ, например, переднего конца шпинделя ? [мкм], от величины его дисбаланса D [кгсм] во всем диапазоне частот вращения: ?= DeD . Если задано обусловленное дисбалансом допустимое перемещение [?] в заданной точке, то из АЧХ по дисбалансу определяют величину допустимого дисбаланса какой-либо массы: [D]=[?]/eD.

Максимально допустимый остаточный дисбаланс D [кгсм] для вала массой М [кг], вращающегося со скоростью n [об/мин] равен:

,

где G равно: для металлорежущих станков в целом 0.63 см/с; для приводов (шпинделей) станков общего назначения - 0.25 см/с; для приводов шлифовальных станков - 0.1 см/с.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

Каким образом можно использовать программу для моделирования статических и динамических характеристик шпиндельных узлов?

В чем суть метода конечных элементов?

Какие конечные элементов используются для моделирования шпиндельного узла? Какие типовые элементы конструкции привода они моделирует?

Какими параметрами характеризуется элемент типа «стержень»?

Какими параметрами характеризуется элемент типа «пружина»?

Какие детали привода моделируются элементами типа «сосредоточенная масса»?

Чему равна внесистемная единица силы «дан»?

Как определить диаметр обрабатываемой детали, исходя из значения момента от силы резания?

Чему равна деформации шпинделя под первым подшипником передней опоры по оси Y и чему равна суммарная деформация в радиальном направлении в этом узле?

Чему равна жесткость переднего конца шпинделя? Какие рекомендуемые значения этой величины?

Сумма допусков на обрабатываемый размер равна 30 микрон. Оцените соответствие моделируемого ШУ этим требованиям.

Чему равна деформация ШУ вдоль оси в зоне резания?

Чему равен угол наклона оси шпинделя под первым подшипником передней опоры в плоскости X-Y?

Чему равна радиальная сила, действующая на последний подшипник в задней опоре?

Какие элементы конструкции ШУ совершают свободные колебания с максимальной амплитудой на первой, второй и третьей собственной частоте?

Какой конструктивный элемент максимально ускоряет затухания колебаний ШУ на первой, второй и третьей собственной частоте?

Чему равна динамическая податливость ШУ по нагрузке на первой, второй и третьей собственной частоте?

Чему равна динамическая податливость ШУ по нагрузке при частоте возмущающей силы 50 Гц?

Как рассчитать динамическую нагруженность подшипниковой опоры при заданной частоте возмущающей силы?

Во сколько раз динамическая податливость ШУ на первой, второй и третьей собственной частоте выше, чем при статическом нагружении?

Каковы допустимые диапазоны частот вращения шпинделя (об/мин) при токарной обработке n-гранной заготовки? («n» задает преподаватель)

Каковы допустимые диапазоны частот вращения шпинделя (об/мин) при чистовой токарной обработке?

Каковы допустимые диапазоны частот вращения шпинделя (об/мин) при высокоскоростной обработке трехзубой фрезой?

Оцените устойчивость динамической систему ШУ.

Определите величину динамического дисбаланса ШУ при допустимом перемещении в зоне обработки от неуравновешенных масс 5 мкм.

На какой частоте вращения шпинделя (об/мин) аплитуда колебания фрезы массой M=100 Кг, установленной с эксцентриситетом е=0.05 мм, достигнет величины =1 мкм?

ЛИТЕРАТУРА

1. Проектирование металлорежущих станков и станочных систем: Справочник-учебник. В 3-х т. Т.2. Ч.1. Расчет и конструирование узлов и элементов станков / Под общ. ред. А.С. Проникова. - М.: Машиностроение, 1995. - 371 с.: ил.

2. Кочергин А.И. Конструирование и расчет металлорежущих станков и станочных комплексов. Курсовое проектирование: Учеб. пособие для вузов. Мн.: Выш. шк., 1991. - 382 с.: ил.

3. Левина З.М., Решетов Д.Н. Контактная жесткость машин. М.: Машиностроение, 1971. - 264 c.

4. Металлорежущие станки: Учебник для машиностроительных втузов / Под ред. В.Э.Пуша. - М.: Машиностроение, 1985. - 254 с.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Использование электронной базы данных для определения характеристик подшипниковых опор

Наиболее удобно характеристики подшипниковых опор выбирать, используя электронный справочник САДКО. Справочник позволяет определить характеристики, как отдельных подшипников, так и подшипниковых опор, наиболее широко используемых в станкостроении. Для запуска электронного справочника (базы данных, БД) следует войти в директорию Z:\STANKI\BASA, подвести курсор к файлу «Start.bat» и нажать <Enter>.

После загрузки программы появится меню, в котором надо выбрать первый пункт: «1. ПОИСК ИНФОРМАЦИИ В БАЗЕ ДАННЫХ» (выбран по умолчанию), и нажать <Enter>. В верхней части экрана появится меню, из которого надо выбрать пункт «1. Тип опоры». На экране появится таблица выбора типа подшипниковых опор:

Выбрав клавишами управления курсором необходимый тип опоры, нажмите клавишу <Enter>. Перед этим ОБЯЗАТЕЛЬНО удостоверьтесь по таблице «Рекомендуемые схемы моделирования подшипниковых опор», что название и соответствующий ему тип опоры Вы поняли правильно!

Далее необходимо перейти вправо с помощью клавиш управления курсором на пункт «2. Внутренний диаметр» и нажать <Enter>. В появившемся окошке ввести значение внутреннего диаметра подшипника, нажать <Enter>. Перевести курсор на пункт «3. Поиск» и нажать <Enter>. Через несколько секунд на экране появится таблица с характеристиками выбранной подшипниковой опоры (рисунок П.1).

Следует обращать внимание на число найденных вариантов опор (записей), которое отображается в поле «Найдено записей: …» в левой верхней части экрана. Для того чтобы просмотреть все варианты, следует нажать на клавишу управления курсором <>. В поле в правой верхней части экрана вместо «Вернуться» появится надпись «Следующая запись» (при еще одном нажатии на <> появится надпись «Предыдущая запись»). Если нажать на <Enter>, в окне появятся характеристики следующего подшипника с тем же внутренним диаметром. При этом соответственно изменится значение в поле «Текущая запись: …». Для того чтобы повторить поиск для иного типа подшипниковой опоры, следует нажать клавишу <Esc> и вернуться в пункт меню «1. Тип опоры».

Рисунок П.1 - Таблица с характеристиками подшипниковых опор

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

Рекомендации по работе с программой для захвата изображения HyperSnap

1) Запустить HyperSnap, нажав на иконку на рабочем столе.

2) После ввода исходных данных и проведения расчетов следует проверить корректности этих расчетов. Например, деформация ШУ должна быть порядка микронов, на ее графике не должно быть острых выступов, на АЧХ должен быть ярко выраженный максимум и т.д.

3) Далее следует опять по очереди зайти в режим редактирования, провести статический и динамический расчеты и для каждой таблицы и графика, как исходных данных, так и результатов, одновременно нажать клавиши <Ctrl>-<Shift>-<R> (снимок выбранного региона на экране). Контролируете, чтобы в этот момент курсор находился внутри окна «DOS622 - Microsoft Virtual PC» (например, в верхней его части).

На экране появится перекрестье. Щёлкнув левой клавишей мыши, задаем, например, верхний левый угол будущего рисунка. Перемещая курсор, выбираем противоположный угол, опять щелкаем левой клавишей мыши. После этого происходит автоматический переход в программу HyperSnap, где уже находится выбранный участок экрана.

4) Желательно, а для дипломного расчета - обязательно, подготовить рисунок для печати. Для этого следует преобразовать цветной рисунок в черно-белый. Проще всего, будучи в HyperSnap, выбрать пункт меню «Цвет», в нем раздел «Черное и белое …» и нажать «ОК». Скорее всего, получаться белые буквы на черном фоне. Чтобы преобразовать их к нормальному виду, следует в том же пункте меню «Цвет» выбрать раздел «Черно-белая инверсия». Буквы станут черные на белом фоне.

5) Далее следует сохранить рисунок под значащим именем, например, «Деформация_Таблица» или «Деформация_График». Желательно формат (расширение) рисунка выбрать *.gif, поскольку в таком виде он занимает меньше всего места.

Размещено на Allbest.ur