Наукові основи створення швидкохідних прецизійних шпиндельних вузлів металорізальних верстатів

Для раціональної експлуатації, потреб контролю і діагностики швидкохідних прецизійних ШВ на опорах кочення, розроблено методику їх атестації за параметрами точності по “динамічному паспорту”, на процедуру вироблення якого отримано два авторських свідоцтва на винаходи.

Розроблено і захищено авторськими свідоцтвами на винаходи ряд конструктивних рішень, спрямованих на підвищення динамічної якості та теплостійкості швидкохідних прецизійних ШВ.

ВИСНОВКИ

Розроблено наукові основи вирішення науково-технічної проблеми підвищення точності швидкохідних прецизійних ШВ на опорах кочення на підставі встановлення закономірностей впливу факторів функціонального, конструктивного і технологічного характеру на формування точності, та їх використання для забезпечення максимальної точності роботи ШВ, потреб їх контролю та діагностики.

На основі теоретичних та експериментальних досліджень доведено, що гранична точність швидкохідних прецизійних ШВ на опорах кочення визначається внутрішніми кінематичними збуреннями, викликаними похибками виготовлення доріжок кочення кілець і тіл кочення підшипників опор, а зменшення точності - змінністю (трансформацією) кінематичного збурення внаслідок дії навантажень різного фізичного походження (силових, монтажних, теплових тощо). Гранична точність швидкохідних прецизійних ШВ з шпинделями, встановленими на радіально-упорних кулькових підшипниках 2-го класу точності становить 0,030,1 мкм.

В робочих діапазонах частот обертання швидкохідних прецизійних ШВ на опорах кочення похибка обертання шпинделя є змінною величиною, залежною від прояву резонансних явищ на частотах внутрішніх кінематичних збурень підшипників опор. За результатами математичного моделювання та натурних випробувань ШВ з шпинделями, встановленими на радіально-упорних кулькових підшипниках 2-го класу точності, визначено, що при відсутності дії зовнішнього навантаження похибка обертання шпинделів в не резонансних зонах становить 0,20,5 мкм, а в окремих резонансних - перевищує 6 мкм. Розбіжність теоретично та експериментально отриманих значень не перевищувала 1025%.

Для оцінки точності швидкохідних прецизійних ШВ на опорах кочення в робочому діапазоні частот обертання необхідно крім регламентованих перевірок стабільності положення вісі шпинделя при його повільному обертанні проводити перевірку, що полягає у вимірюванні амплітуд резонансних коливань шпинделя на частотах внутрішнього кінематичного збурення, генерованого підшипниками його опор. Поєднання натурних випробувань ШВ в резонансних і не резонансних зонах дозволяє за рахунок визначення характеру зміни виміряних амплітуд коливань виключати з результатів вимірювання похибки схем і засобів вимірювання та здійснювати розрахунок залежності похибки обертання шпинделя від частоти його обертання.

При розробці математичних моделей, що описують процес формування точності підшипників кочення і використовуються для розрахунку викликаного ними кінематичного збурення необхідно враховувати, що зміщення центру внутрішнього кільця підшипника відносно номінального положення є векторною сумою початкового і пружного зміщень. Величина і характер результуючого кінематичного збурення підшипника визначається ступінню деформованості контактних груп і залежить від умов їх початкового контакту та напрямку й величини прикладеного до підшипника навантаження.

При розробці математичних моделей, що описують процес формування точності ШВ на опорах кочення необхідно враховувати як змінний характер внутрішнього кінематичного збурення підшипників опор, так і залежність значень частот власних коливань шпинделя від інерційних та пружних характеристик закріпленого в ньому інструменту (заготовки).

На основі теоретичних та експериментальних досліджень встановлено такі закономірності формування точності швидкохідних прецизійних ШВ з радіально-упорними кульковими підшипниками в опорах:

в робочому діапазоні частот обертання шпинделя існує декілька зон із підвищеною інтенсивністю радіальних коливань. Причиною утворення цих зон є збіг частот вимушених коливань (насамперед fт/з, fт/в f0, 2f0, 3f0) із нижніми частотами власних коливань системи “шпиндель-оправка”. При цьому похибки виготовлення бігових доріжок і тіл кочення підшипників мають найбільший вплив в діапазоні частот обертання, що відповідають зонам локальних резонансів на характерних частотах вібраційних збурень підшипників (fт/з, fт/в f0), а дія монтажних та зовнішніх навантажень - на частотах 2f0, 3f0;

для ШВ, зібраних на підшипниках одного класу точності залежно від якості збирання похибка обертання шпинделя в зоні локального резонансу на подвійній частоті його обертання (2f0) може відрізнятися більш ніж в 20 разів;

забезпечення максимальних значень демпфування для обраного типу підшипників і з'єднання шпинделя з оправкою дозволяє зменшити величину похибки обертання шпинделя в резонансних зонах в 1,72 рази.

На ВАТ “Львівський завод фрезерних верстатів” і заводі “Кристал” (м. Вінниця) впроваджено рекомендації по використанню підшипників легких серій в конструкціях ШВ при їх модернізації із збереженням габаритних розмірів, які дозволили підвищити статичну жорсткість системи “шпиндель-оправка” в 1,41,9 рази, динамічну жорсткість в 1,9 рази на першій формі і 3,56,0 разів на другій формі коливань, зменшити діапазони підвищеної віброактивності (похибка обертання шпинделя 0,5 мкм) з 21% робочого діапазону до 1013%.

Для ВАТ “Тернопільський комбайновий завод” запропоновані технологічні та експлуатаційні рекомендації, які дозволили підвищити ефективність процесу обробки деталей шліфувальними головками за рахунок виходу з зон локальних резонансів шляхом розмежування (в межах 6%) частот вимушених і власних коливань системи “шпиндель-оправка”.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ

Данильченко Ю.М., Кузнєцов Ю.М. Прецизійні шпиндельні вузли на опорах кочення (теорія і практика). - Тернопіль - Київ: Економічна думка, 2003. - 344 с. (здобувачем розроблено методологічні основи формування та дослідження точності ШВ, математичні моделі підшипника, опори та системи “ШВ”, проведено теоретичне та експериментальне дослідження точності ШВ).

Дзюба В.И., Данильченко Ю.М. Необходимый объем жидкого смазочного материала во внутренней полости подшипника качения // Вестник машиностроения. - 1986. - № 12. - С. 31-32. (Здобувачем проведено розрахунок площ поверхонь деталей підшипника).

Данильченко Ю.М., Фигатнер А.М., Бальмонт В.Б., Бондарь С.Е. Повышение точности вращения высокоскоростных шпиндельных узлов на подшипниках качения // Станки и инструмент. - 1987. - № 7. - С. 16-18. (Здобувачем розроблено методику та проведено експериментальне дослідження).

Зверев И.А., Бальмонт В.Б., Данильченко Ю.М. Математическое моделирование и экспериментальное исследование точности вращения шпиндельного узла // Известия ВУЗов. Машиностроение. - 1987. - №11. - С. 154-159. (Здобувачем проведено експериментальне дослідження).

Дзюба В.И., Данильченко Ю.М. Модуль высокоскоростного шпиндельного узла гравировального станка // Передов. производ. опыт и н/т достиж., рекоменд. для внедр. - М.:ВНИИТЭМР. - 1989. - Вып.5. - С.19-22. (Здобувачем розроблено методику експериментального дослідження).

Данильченко Ю.М. Концептуальна модель формування точності шпиндельних вузлів металорізальних верстатів // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - Тернопіль. - 1999. - Т.4, Ч.1. - С.124-128.

Данильченко Ю.М. Початкове зміщення внутрішнього кільця радіально-упорного підшипника опори шпиндельного вузла // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - Тернопіль. - 2000.- Т.5, Ч.1. - С. 35-45.

Данильченко Ю.М. Статика неідеального радіально-упорного кулькового підшипника опори шпиндельного вузла // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - Тернопіль. - 2000. - Т.5, Ч2. - С. 33-38.

Данильченко Ю.М., Петров С.В. Жорсткість підшипників опор кочення високоточних швидкохідних шпиндельних вузлів // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - 2000. - Т.5, Ч.4. - С. 25-34. (Здобувачем розроблено математичну модель жорсткості підшипника).

Данильченко Ю.М., Петров С.В. Моделювання силових характеристик підшипників опор кочення швидкохідних шпиндельних вузлів // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - 2001. - Т.6, № 1. - С. 51-60. (Здобувачем проведено математичне моделювання та аналіз впливу температурного режиму та частоти обертання на силові характеристики підшипника).

Данильченко Ю.М., Петров С.В. Жорсткість по куту повороту радіально-упорного кулькового підшипника опори шпиндельного вузла // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - 2001. - Т.6, № 3. - С. 46-52. (Здобувачем розроблено пружно-деформаційну модель підшипника та проведено математичне моделювання характеристик жорсткості).

Данильченко Ю.М., Петров С.В. Комплексна математична модель точності шпиндельних радіально-упорних кулькових підшипників // Прогрессивные технологии в системе машиностроения: Международный сборник научных трудов. - Донецк: ДонГТУ. - 2001. - Вып. 6. - С. 164-168. (Здобувачем проведено аналіз проблем теоретичних досліджень та розроблено комплексну математичну модель точності підшипників).

Кузнецов Ю.Н., Данильченко Ю.М. Конструкторско-технологические аспекты формирования точности шпиндельных узлов на опорах качения // Вестник национального технического университета Украины “Киевский политехнический институт”, серия машиностроение. - 2001. - № 40. - НТУУ “КПИ”. - С 293-303. (Здобувачем проведено аналіз моделей і розроблено новий підхід до моделювання статичної і динамічної точності ШВ).

Данильченко Ю.М., Петров С.В. Теоретико-експериментальні дослідження віброактивності шпиндельних радіально-упорних кулькових підшипників // Вестник национального технического университета Украины “Киевский политехнический институт”, серия машиностроение. - 2001. - № 41. - НТУУ “КПИ”. - С 65-73. (Здобувачем проведено аналіз методів досліджень, розроблено новий підхід і проведено моделювання спектрів вібрацій підшипників).

Данильченко Ю.М. Особливості розв'язку задачі про рівновагу неідеального радіально-упорного кулькового підшипника опори шпиндельного вузла // Вісн. Східноукр. нац. ун-ту. Техн. науки. - Луганськ. - 2001. - №. 11 - С.167-175.

Данильченко Ю.М. Точність обертання двохопорного шпинделя // Машинознавство. - 2002. - № 2. - С. 17-24.

Данильченко Ю.М., Петров С.В. Детермінована математична модель вихідної точності шпиндельного вузла на опорах кочення // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - 2002. - Т.7, № 3. - С.53-60. (Здобувачем розроблено математичну модель і проведено розрахунок показників вихідної точності ШВ).

Данильченко Ю.М., Петров С.В. Розподіл осьового навантаження в опорах шпиндельного вузла // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - 2002. - Т.7, № 4. - С.32-37. (Здобувачем розроблено загальний підхід до складання розрахункових схем різних типів опор та проведено математичне моделювання точності і силових характеристик опор типу “дуплекс”).

Кузнєцов Ю.М., Данильченко Ю.М. Методологічні основи дослідження процесів формування вихідної точності прецизійних шпиндельних вузлів на опорах кочення // Вестник национального технического университета Украины “Киевский политехнический институт”, серия машиностроение. - 2002. - № 43. - НТУУ “КПИ”. - С. 96-99. (Здобувачем розроблено метод комплексного теоретичного та експериментального дослідження ШВ за показниками точності).

Данильченко Ю.М. Узагальнена пружно-деформаційна модель шпиндельного вузла // Наукові нотатки. Міжвузівський збірник (за напрямком “Інженерна механіка”). - Луцьк. - 2002. - Вип.11.- С. 126-131.

Данильченко Ю.М. Вплив похибок збирання шпиндельних вузлів на точність обертання шпинделя // Збірник наукових праць Кіровоградського державного технічного університету. - Кіровоград. - 2003. - №13. - С. 376-382.

Способ вибрационного контроля состояния высокооборотного шпиндельного узла на опорах качения: А.с. 1351379 СССР, МКИ G01М13/04, В23Q15/00 / Данильченко Ю.М., Фигатнер А.М., Бондарь С.Е., Дубовецкий Б.О., Пуш В.Э. (СССР). - №4078111/25-08 - Заявлено 31.03.86. - Зарегистр. 08.07.87, ДСП - 1987, Бюл. № 41 - 4 с. (Здобувачем розроблена процедура отримання нормованого спектру резонансних амплітуд шпинделя).

Способ измерения радиального смещения оси вращения скоростных шпинделей: А.с. 1514486 СССР, МКИ В23В1/00, 19/02 / Данильченко Ю.М., Дзюба В.И, Фигатнер А.М., Бондарь С.Е., Дубовецкий Б.О., Левин А.М., Фефелов А.А. (СССР). - №4277966/31-08 - Заявлено 04.05.87. - Опубл. 15.10.89, Бюл. № 38 - 3 с. (Здобувачем розроблено процедуру визначення похибки вимірювання).

Подшипниковый узел: А.с. 1765567 СССР, МКИ F16C37/00 / Данильченко Ю.М., Дзюба В.И, Гуцал Л.Д., Аверьянова И.О., Булат Л.П. (СССР). - №4664130/27 - Заявлено 08.02.89. - Опубл. 30.09.92, Бюл. № 36 - 4 с. (Здобувачем розроблена принципова схема відбору тепла від кільця підшипника, що обертається).

Шпиндельный узел с автоматической компенсацией осевого натяга в опорах: А.с. 1371781 СССР, МКИ В23В19/00 / Пуш В.Э., Данильченко Ю.М., Хабаров А.В., Хурция З.И. (СССР). - №4122057/31-08 - Заявлено 26.06.86. - Зарегистр. 08.10.87, ДСП. - 1988, № 5 - 2 с. (Здобувачем розраховано залежність для вибору жорсткості пружної втулки).

Шпиндельный узел: А.с. 1380921 СССР, МКИ В24В41/04 / Пуш В.Э., Данильченко Ю.М., Хурция З.И. (СССР). - №4032653/31-08 - Заявлено 10.03.86. - Опубл. 15.03.88, Бюл. № 10 - 2 с. (Здобувачем розроблено принципову схему механізму переходу з опор кочення на опори ковзання).

Данильченко Ю.М., Левин А.М. Автоматизированное измерение погрешности вращения шпинделей станков // Сб.:Использов.вычислит. техники в метрологии при измер. лин.-угл. р-ров в маш.строен.: Мат.семин. - М.: МДНТП, 1987. - С.75-78. (Здобувачем розроблено метод вимірювання та аналізу похибки обертання шпинделів на опорах кочення).

Данильченко Ю.М., Левин А.М. Повышение точности вращения шпинделей на опорах качения // Сб.: Соверш.существ.и созд. нов. проц. изгот.дет.и изд.в маш.стр. Мат. семин. - М.: МДНТП, 1987. - С.121-124. (Здобувачем розроблено методику вібраційного контролю стану ШВ).

Данильченко Ю.М. Аспекти створення високоточних шпиндельних вузлів металорізальних верстатів // Тези допов. 3-ї н/т конф. ТДТУ “Прогресивні матеріали, технології та обладнання в машино- і приладобудуванні”. - Тернопіль: ТДТУ. - 1998. - С. 25.

Данильченко Ю.М. Вплив похибок виготовлення та збирання елементів шпиндельного вузла на опорах кочення на формування траєкторії руху вісі шпинделя // Мат. 5-ї наук. конф. ТДТУ. - Тернопіль: ТДТУ. - 2001. - С. 47.

Данильченко Ю.М. Методологічні аспекти розробки математичних моделей шпиндельних вузлів на опорах кочення //Мат. 6-ї наук. конф. ТДТУ.-Тернопіль:ТДТУ.-2002.-С. 9.

Данильченко Ю.М. Функціональне забезпечення точності шпиндельних вузлів на опорах кочення // Мат. 7-ї наук. конф. ТДТУ. - Тернопіль: ТДТУ. - 2003. - С. 27.

Данильченко Ю.М., Петров С.В. Закономірності формування вихідної точності прецизійних шпиндельних вузлів на опорах кочення // Тези допов. 6-го міжнар. симпоз. укр. інж.-мех. у Львові. - Львів: КІНПАТРІ ЛТД. - 2003. - С. 85. (Здобувачем розроблено пружно-деформаційну модель системи “ШВ” та проведено дослідження впливу на точність ШВ факторів технологічного, конструктивного та функціонального характеру).

вузол шпиндельний прецизійний

Данильченко Ю.М. Наукові основи створення швидкохідних прецизійних шпиндельних вузлів металорізальних верстатів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.01 - Процеси механічної обробки, верстати та інструменти. - Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2003.

В дисертації висвітлені проблеми створення швидкохідних прецизійних шпиндельних вузлів (ШВ) на опорах кочення, представлені загальні основи формування їх вихідної точності, методологічні основи та результати досліджень.

Метод комплексного теоретичного і експериментального дослідження ґрунтується на використанні власної віброактивності ШВ на опорах кочення і полягає у визначенні амплітуд резонансних коливань і похибки обертання шпинделя в зонах локальних резонансів на частотах вимушених коливань, що генеруються підшипниками опор, на що отримано два авторських свідоцтва на винаходи (способи). Базу теоретичних досліджень складають геометрична і пружно-деформаційна моделі неідеального радіально-упорного кулькового підшипника та математична модель точності ШВ, в якій враховуються як похибки виготовлення й збирання вузла, так і наслідки дії зовнішнього навантаження будь-якого фізичного походження.

За результатами досліджень виявлені закономірності формування вихідної точності ШВ і розроблені рекомендації по використанню її резерву.

Ключові слова: шпиндельний вузол, радіально-упорний кульковий підшипник, точність обертання шпинделя, статична жорсткість, динамічна податливість, локальний резонанс.

Danylchenko Y.M. Scientific fundamentals of development of high-speed precision spindle units for machine tools.-Manuscript.

The dissertation for the scientific degree of the Doctor of engineering science on the specialty 05.03.01 - Processes of machine work, machine tools and tools. - National technical university of Ukraine “the Kyiv polytechnic institute”, Kyiv, 2003.

The thesis covers problems of development of the high-speed precision spindle units on roller supports. General basics of output accuracy formation, methodological basics and results of experiments are given.

Method of the complex theoretical and experimental investigation is based on the usage of the self vibroactvity of spindle units on roller supports. This method consist in determination of resonance vibrations amplitudes and spindle rotation inaccuracy in local resonance zones at forced vibration frequencies that are generated by support bearings. Two author certificates were received on this method. Theoretical investigations are based on the geometrical and elastic-deformational models of the non-ideal angular contact ball bearing and the mathematical accuracy model of the spindle unit. This model accounts for the manufacturing and assembling inaccuracies and for the actions of the external load of any physical kind.

Output accuracy of the spindle unit formation logic was discovered basing on the investigational results. The recommendations of the accuracy reserve usage were prepared.

Key words: spindle unit, angular contact ball bearing, spindle rotation accuracy, static stiffness, dynamic compliance, local resonance.

Данильченко Ю.М. Научные основы создания быстроходных прецизионных шпиндельных узлов металлорежущих станков. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук по специальности 05.03.01 - Процессы механической обработки, станки и инструменты. - Национальный технический университет Украины “Киевский политехнический институт”, Киев, 2003.

Диссертация посвящена установлению закономерностей формирования и трансформации выходной точности быстроходных прецизионных шпиндельных узлов (ШУ) на опорах качения в процессе их проектирования, изготовления, эксплуатации и поиску путей наиболее полного использования резерва их точности.

Поисковая концепция исследования состоит в установлении факторов, определяющих функционирование системы “ШУ” специально организованными действиями функционального, конструктивного и технологического характера. Метод комплексного теоретического и экспериментального исследования основывается на использовании собственной виброактивности ШУ на опорах качения и заключается в определении амплитуд резонансных колебаний и погрешности вращения шпинделя в зонах локальных резонансов на частотах вынужденных колебаний, генерируемых подшипниками опор, на что получены два авторских свидетельства на изобретения (способы).

Основой экспериментальных исследований является исследование виброактивности подшипников отдельно и в составе ШУ с использованием комплекса виброакустической аппаратуры на базе узкополосного спектроанализатора.

Базу теоретических исследований составляют математические модели: модель начального контакта неидеального радиально-упорного шарикоподшипника, которая устанавливает взаимосвязь между пространственным положением колец подшипника и погрешностями геометрии его контактных групп, что является основой для моделирования процессов формирования внутреннего кинематического возмущения подшипников; упруго-деформационная модель неидеального радиально-упорного шарикоподшипника, в которой проведено разграничение упругих перемещений центра внутреннего кольца, вызванных погрешностями его изготовления и монтажа и полученных в результате действия внешней нагрузки, что является основой для моделирования процессов трансформации внутреннего кинематического возмущения подшипников в составе опор ШУ; математическая модель точности ШУ на опорах качения, которая является комбинацией функционально взаимосвязанных упруго-деформационных моделей системы “ШУ” и подшипников опор шпинделя, и позволяет учитывать как погрешности изготовления и сборки ШУ, так и результаты действия внешней нагрузки любого физического происхождения.

Особенностью модели начального контакта неидеального радиально-упорного шарикоподшипника является то, что для описания пространственного положения его колец и тел качения используется аналогичное описание шарикоподшипника, названного “условным”. Это подшипник с идеальной геометрией колец и тел качения, но с взаимным положением колец, соответствующим пространственному положению колец неидеального подшипника в момент начального контакта. Все тела качения “условного” подшипника контактируют с кольцами. Основной характеристикой этого подшипника является диаметр “условного” шарика в i-ой контактной группе, а отклонение от номинального диаметра - характеристикой погрешности данной контактной группы. Для случая приложения внешней нагрузки, деформация i-ой контактной группы учитывается как дополнительное уменьшение диаметра “условного” шарика.

Упруго-деформационная модель системы “ШУ” выполнена в виде колебательной механической системы, состоящей из парциальных подсистем механизма крепления инструмента/заготовки, шпинделя на опорах и корпуса ШУ, и находящейся под действием комплекса возмущающих нагрузок внешнего и внутреннего происхождения.

На основе указанных математических моделей разработаны алгоритмы расчета и пакеты прикладных программ для определения силовых характеристик и траектории движения центра внутреннего кольца неидеального комбинированно нагруженного подшипника; траектории движения и погрешности вращения оси шпинделя, собранного на неидеальных подшипниках, статических и динамических характеристик системы “ШУ”.

По результатам теоретического и экспериментального исследований установлено, что в рабочем диапазоне частот вращения шпинделя существует несколько зон с повышенной интенсивностью радиальных колебаний. Причиной возникновения этих зон является совпадение частот вынужденных колебаний (прежде всего частоты прохождения тел качения по внешнему кольцу fт/з, комбинированных с частотой вращения f0 частот прохождения тел качения по внутреннему кольцу fт/в f0 и кратных частоте вращения частот 2f0, 3f0) с нижними собственными частотами системы “шпиндель-оправка”. При этом погрешности изготовления беговых дорожек и тел качения подшипников наибольшее влияние оказывают в диапазоне частот вращения, соответствующих зонам локальных резонансов на характерных частотах вибрационных возмущений подшипников (fт/з и fт/в f0), а погрешности монтажа и действие внешней нагрузки - на частотах 2f0 и 3f0.

При испытаниях ШУ на холостом ходу погрешность вращения шпинделя в не резонансных зонах составила 0,20,5 мкм, а в отдельных резонансных - превысила 6 мкм. При этом, в зависимости от качества сборки ШУ (при использовании подшипников одного класса точности) погрешность вращения в зоне локального резонанса на частоте 2f0 отличалась более чем в 20 раз.

На основе полученных результатов разработаны практические рекомендации конструкторского, технологического и эксплуатационного характера по обеспечению необходимой точности ШУ за счет наиболее полного использованию ее резерва, а также предложения по контролю и диагностике ШУ.

Ключевые слова: шпиндельный узел, радиально-упорный шарикоподшипник, точность вращения шпинделя, статическая жесткость, динамическая податливость, локальный резонанс.

Размещено на Allbest.ru