Створення приводів затиску для швидкохідних токарних автоматів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тернопільський національний технічний університет

імені Івана Пулюя

УДК 621.941.2

Автореферат дисертації

на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Створення приводів затиску для швидкохідних токарних автоматів

Спеціальність 05.03.01 - процеси механічної обробки, верстати та інструменти

Придальний Борис Іванович

Тернопіль 2011

Дисертацією є рукопис.

Роботу виконано в Луцькому національному технічному університеті на кафедрі комп'ютерного проектування верстатів та технологій машинобудування Міністерства освіти і науки, молоді та спорту України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, доцент Редько Ростислав Григорович, Луцький національний технічний університет, доцент кафедри комп'ютерного проектування верстатів і технологій машинобудування.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Луців Ігор Володимирович, Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя, завідувач кафедри конструювання верстатів, інструментів та машин;

доктор технічних наук, професорШевченко Олександр Віталійович Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут», професор кафедри конструювання верстатів та машин, заступник директора Механіко-машинобудівного інституту.

Захист відбудеться «10» червня 2011 року о 10⁰⁰ годині на засіданні спеціалізованої вченої ради К58.052.03 Тернопільського національного технічного університету імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська, 56.

З дисертацією можна ознайомитись у бібліотеці Тернопільського національного технічного університету імені Івана Пулюя за адресою: 46001, м. Тернопіль, вул. Руська, 56.

Автореферат розіслано «06» травня 2011 року.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради К58.052.03, к.т.н. Дячун А.Є.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Стійка світова тенденція до підвищення режимів різання (High Speed Cutting) та вимог до експлуатаційної надійності автоматизованих верстатів токарної групи вимагає покращення їх експлуатаційно-швидкісних характеристик. Ці вимоги зумовлені також властивостями сучасних різальних інструментів з надтвердих матеріалів і алмазів, що дозволяє вести обробку на високих швидкостях за рахунок підвищення максимальної частоти обертання шпиндельного вузла. Підвищення частоти обертання шпиндельних вузлів токарних автоматизованих верстатів стримується рядом факторів, зокрема непристосованістю до роботи на високих частотах обертання опор шпинделя, затискних патронів (ЗП), приводів затиску (ПрЗ), зубчасто-пасових передач крутного моменту на шпиндель та коливаннями довгомірних прутків.

Суть проблеми полягає в тому, що при підвищенні частоти обертання шпиндельного вузла (ТА) дія значних відцентрових сил призводить до істотного зменшення (втрати) сил затиску заготовки в ЗП і додаткових витрат енергії в ПрЗ аж до втрати працездатності затискного механізму (ЗМ). Це зменшує надійність та довговічність роботи ЗМ і продуктивність ТА.

Відомі дослідження роботи ЗМ на високих частотах обертання в основному присвячені системі «патрон-деталь», хоча ЗМ як технічна система, в загальному випадку складається з джерела енергії та підсистем «привід-патрон» і «патрон-деталь». Сукупність елементів підсистеми «привід-патрон», яка змонтована на шпинделі верстата і складає з ним єдину структуру, відіграє особливу роль, оскільки вона не лише суттєво впливає на його динамічні властивості, конструкцію і компоновку, але й визначає зусилля і переміщення на вході ЗП, а також силову взаємодію між шпинделем та іншими елементами підсистеми «привід-патрон» в процесі затиску-розтиску заготовки.

Для створення ПрЗ, які сприяють стабілізації сил затиску заготовки на високих частотах обертання, потрібне проведення додаткових теоретичних і експериментальних досліджень. Найбільш поширеними є ПрЗ з геометричним замиканням, які використовуються в пруткових токарних автоматах ТА і токарно-револьверних верстатах, при цьому їх робота на високих частотах обертання досліджена недостатньо. Тому, дослідження прогресивних ПрЗ автоматизованих токарних верстатів, які пристосовані до роботи на високих частотах обертання, і розробка методів їх створення визначають актуальність даної роботи.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами.

Роботу виконано відповідно до тематичного плану науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України в Луцькому національному технічному університеті на тему за власною ініціативою «Цільові механізми і оснащення верстатів нового покоління для надшвидкісної і прецизійної обробки» (№ державної реєстрації 0106U002645). Дослідження є також частиною робіт, виконаних відповідно до держбюджетної теми №2988 «Створення вузлів і механізмів для високошвидкісної і прецизійної обробки на верстатах нового покоління з паралельною кінематикою (№ державної реєстрації №1006U007223) та згідно з договором «Про партнерство, співпрацю та науковий обмін між Механіко-машинобудівним інститутом НТУУ «КПІ» і навчально-науково-виробничим Інститутом інженерних та інформаційних технологій ЛНТУ».

Мета і задачі дослідження. Метою дисертаційної роботи є підвищення продуктивності і розширення технологічних можливостей ТА за рахунок створення та вдосконалення конструкцій ПрЗ, що працюють на високих частотах обертання.

Для досягнення мети в роботі поставлені такі задачі:

1. На підставі патентно-інформаційних досліджень виконати аналіз відомих схем і конструкцій ПрЗ токарних автоматизованих верстатів, результатів їх розробки, дослідження та експлуатації, обґрунтувати актуальність і основні напрямки досліджень.

2. Розробити уточнені математичні моделі передачі сил і провести теоретичні дослідження силових та енергетичних характеристик типових конструкцій ПрЗ з геометричним замиканням на різних частотах обертання шпинделя та визначити ступінь впливу цих характеристик на техніко-економічні показники ЗМ і ТА.

3. Розробити методику експериментальних досліджень впливу частоти обертання шпинделя високошвидкісних ПрЗ та ЗП на їх силові та енергетичні характеристики.

4. Теоретичними та експериментальними дослідженнями характеристик ПрЗ з геометричним замиканням і різними конструкціями ЗП довести можливість стабілізації зусилля затиску в ЗМ при підвищенні частоти обертання шпинделя.

5. Розробити інженерну методику проектування ПрЗ для швидкохідних токарних автоматизованих верстатів нового покоління та запропонувати ряд ефективних конструкцій ПрЗ для високошвидкісної обробки.

Об'єктом досліджень є закономірності впливу факторів конструктивного та кінематичного характеру на силові та енергетичні (експлуатаційні) характеристики ПрЗ при високих частотах обертання шпинделя.

Предметом досліджень є механічні та електромеханічні ПрЗ швидкохідних автоматизованих токарних верстатів.

Методи дослідження. Дослідження базуються на використанні основних положень і методів: теорії затискних механізмів верстатів, електроприводу машин, теоретичної механіки, теорії машин і механізмів, математичного моделювання.

Експериментальні дослідження проводилися із застосовуванням спеціально створеного стенда на базі багатошпиндельного ТА мод. 1Б240-6 та використанням контрольно-вимірювальної апаратури і спеціально розробленого технологічного оснащення. Достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій підтверджена порівняльними лабораторними дослідженнями з використанням теорії ймовірностей та математичної статистики.

Наукова новизна одержаних результатів. В дисертаційній роботі отримані нові результати для теорії і практики створення ПрЗ ТА для високошвидкісної токарної обробки, які полягають в тому, що вперше:

- отримала подальший розвиток теорія проектування ПрЗ з геометричним замиканням для високошвидкісної токарної обробки з врахуванням дії відцентрових сил неврівноважених елементів важільних кулькових або роликових передатно-підсилювальних ланок;

- теоретично доведено і експериментально підтверджено суттєвий вплив відцентрових сил неврівноважених елементів та конструктивних особливостей муфти затиску (МЗ), яка може бути охопленою і охоплюючою, на працездатність ПрЗ при роботі на високих частотах обертання, що дозволило уточнити аналітичні залежності для визначення силових характеристик ПрЗ з геометричним замиканням;

- на основі розробленої математичної моделі передачі сил у ПрЗ з геомет-ричним замиканням та охопленою МЗ з урахуванням частоти обертання шпин-деля доведена можливість стабілізації зусилля затиску в ЗМ швидкохідних ТА.

Практичне значення одержаних результатів:

- створені нові прогресивні електромеханічні та механічні конструкції ПрЗ з геометричним замиканням, що забезпечують кероване і стабільне зусилля затиску при різних частотах обертання та відхиленнях діаметра прутка від номінального значення, які захищені 5-ма патентами України на корисні моделі;

- розроблено з використанням системно-морфологічного підходу методику проектування ПрЗ, які пристосовані до роботи на високих частотах обертання, що дає змогу визначити основні параметри нових конструкцій ПрЗ з метою їх подальшого застосування у швидкохідних токарних автоматизованих верстатах нового покоління;

- дістала подальший розвиток методика попереднього розрахунку критичної частоти обертання шпиндельних вузлів з прутком із урахуванням дисбалансу і резонансних явищ для можливості виявлення частот, при яких недоцільно проводити обробку деталей з прутків і труб на верстатах з відповідною конструкцією шпиндельних вузлів;

- розроблено і виготовлено спеціальний науково-дослідний стенд для комплексного випробування і дослідження різних конструкцій ЗМ верстатів токарної групи.

Результати роботи впроваджені в навчальний процес кафедри «Комп'ютерного проектування верстатів і технологій машинобудування» Луцького національного технічного університету та кафедри «Конструювання верстатів та машин» НТУУ «КПІ» для підготовки спеціалістів і магістрів спеціальності «Металорізальні верстати і системи», а також передані для застосування на ВАТ «Електротермометрія» (м. Луцьк) і «СКФ Україна» (м. Луцьк).

Особистий внесок здобувача. Автору належать:

1. Математичне моделювання передачі сил в типових конструкціях ПрЗ з геометричним замиканням з урахуванням частоти обертання шпинделя та різних значень коефіцієнта тертя.

2. Теоретичні та експериментальні дослідження силових і енергетичних характеристик ПрЗ з геометричним замиканням на різних частотах обертання та при зупиненому шпинделі.

3. Розробка та створення спеціального науково-дослідного стенда для проведення комплексного випробування і дослідження ЗМ верстатів токарної групи.

4. Розробка рекомендацій щодо проектування і розрахунку нових ПрЗ, пристосованих для роботи на високих частотах обертання.

5. Розробка способу стабілізації зусилля затиску заготовки та декількох конструкцій ПрЗ для його реалізації при підвищенні частоти обертання шпинделя і відхиленні діаметра прутка від номінального.

6. Нові схеми і конструкції на рівні винаходів і корисних моделей, які оформлені заявками і захищені патентами України.

В п'яти патентах України на корисні моделі частка кожного співавтора однакова. В опублікованих у співавторстві працях дисертанту належать основні ідеї проведення досліджень і наукове обґрунтування основних теоретичних положень.

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень доповідались і обговорювались на: науково-практичних конференціях викладачів Луцького державного технічного університету (Луцьк, 20042010 рр.), VII ювілейній міжнародній науково-технічній конференції Промислова гідравліка і пневматика (Вінниця, 2006 р.), IX міжнародній науково-практичній конференції «Прогресивна техніка та технологія - 2008» (Київ, 2008), ІІ міжнародній науково-практичній конференції «Теоретичні і експериментальні дослідження в технологіях сучасного матеріалознавства та машинобудування», ЛНТУ (Луцьк-Світязь, 2009 р), міжнародній науково-технічній конференції ТК-2010 «Прогресивні напрямки розвитку технологічних комплексів» (Луцьк 2010), розширених засіданнях кафедри «Технологія машинобудування» Севастопольського національного технічного університету (Севастополь 2010, 2011). В повному обсязі дисертаційна робота доповідалася і отримала позитивний відгук на розширеному науково-технічному семінарі Тернопільського національного технічного університету імені Івана Пулюя (Тернопіль 2011).

Публікації. Основні результати дисертаційної роботи опубліковані в 11-ти друкованих працях, з них 6 статей у фахових виданнях (2 одноосібних) і 5 патентів України на корисні моделі.

Структура та обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, додатків і списку використаних літературних джерел. Загальний обсяг дисертації складає 198 друкованих сторінок, у тому числі 168 сторінок основного тексту, 14 сторінок додатків, 68 рисунків, 8 таблиць. Список використаної літератури складається із 159 найменувань.

Основний зміст роботи

У вступі подано загальну характеристику роботи, обґрунтовано актуальність теми, визначено мету та задачі дослідження, викладено наукову новизну й практичне значення одержаних результатів.

У першому розділі досліджено проблеми створення і вдосконалення ЗМ для високошвидкісної токарної обробки та наведено аналіз труднощів і проблем, які виникають при високошвидкісній обробці заготовок на ТА і пов'язані із ЗМ. Продуктивність верстата, що визначається інтенсивністю режимів різання, зумовлена також вихідними параметрами ЗМ. В такому контексті якість ПрЗ теж визначається його вихідними характеристиками. В результаті проведених дос-ліджень встановлено, що максимальна швидкість (частота обертання шпинделя) токарної обробки, яка обмежується втратою зусилля затиску заготовки, залежить від характеристик ЗМ і в тому числі від впливу відцентрових сил інерції нерівно-важених елементів ПрЗ на його силові та енергетичні характеристики. Сформульовані основні вимоги, які висуваються до ЗМ сучасних швидкохідних ТА. На основі розгляду ЗМ як системи, що складається з джерела енергії та підсистем привід-патрон і патрон-деталь, сформульовані основні вимоги до ПрЗ, тобто підсистеми привід-патрон. Виконано патентний пошук та аналіз відомих схем і конструкцій ПрЗ з геометричним замиканням. Також представлені відомості про вплив ПрЗ на основні техніко-економічні показники верстата.

Основним завданням в роботі є розроблення теоретичних основ створення та вдосконалення конструкції ПрЗ з геометричним замиканням, які сприяють стабілізації зусилля затиску заготовки та покращують техніко-економічні показники роботи ЗМ на високих частотах обертання шпиндельного вузла, що забезпечить підвищення продуктивності та розширення технологічних можливостей ТА.

Раніше виконані дослідження характеристик роботи ЗМ на високих частотах обертання в основному присвячені системі «патрон-деталь». Оцінка впливу відцентрових сил інерції на працездатність ПрЗ фактично не проводилася, а ЗМ привертали увагу вчених і технологів лише з точки зору вивчення їх жорсткості, точності та створення необхідних сил затиску. Аналіз раніше проведених досліджень ПрЗ з геометричним замиканням показав відсутність аналітичних залежностей для визначення їх силових та енергетичних характеристик з врахуванням впливу частоти обертання шпинделя.

Значні теоретичні та експериментальні дослідження ПрЗ з геометричним замиканням проведені в НТУУ КПІ Ю.М. Кузнєцовим, який є засновником вітчизняної школи з дослідження ЗМ на кафедрі «Конструювання верстатів та машин», а також його учнями: І.О. Іванюком, В.М. Ахрамовичем, В.І. Сідорко, І.Л. Кушілем, Ель Дахабі Фаруком та іншими. Фундаментальні дослідження важільних передавально-підсилювальних механізмів (ППМ) і ППМ з розклинюючими елементами проведені в дисертації В.С. Каганова. Питання проектування ЗМ розглянуті в роботах Г.А. Шаумяна, М.Л. Орлікова, Ю.М. Кузнєцова, В.С. Каганова, А.М. Дальського та інших.

У другому розділі розроблено методику і проведено теоретичні дослідження впливу частоти обертання шпинделя на силові та енергетичні характеристики ПрЗ з геометричним замиканням найбільш поширених конструкцій. В результаті досліджень встановлено вплив конструктивних особливостей ПрЗ з геометричним замиканням на характер зміни (спадання, зростання) його працездатності при підвищенні частоти обертання. Розроблено спосіб стабілізації зусилля затиску заготовки при підвищенні частоти обертання шпинделя за рахунок використання ПрЗ прогресивної конструкції з геометричним замиканням та певними геометрично-масовими параметрами його елементів, для чого розроблені і представлені в аналітичному вигляді рекомендації.

Для проведення теоретичних досліджень складено розрахункові схеми передачі сил у важільному (рис. 1) і кульковому (рис. 2) ПрЗ з врахуванням впливу відцентрових сил його неврівноважених елементів. На основі отриманих розрахункових схем, розроблено математичну модель передачі сил в ПрЗ для двох взаємообернених конструктивних схем з охоплюючою та охопленою МЗ важільного і кулькового (роликового) ПрЗ з врахуванням впливу відцентрових сил інерції. Основним показником, який описує силові характеристики ПрЗ, є коефіцієнт підсилення К_П, що визначається як відношення його вихідного зусилля S_? до прикладеного на вході зусилля Q (рис. 1, 2). На даний час К_П ПрЗ визначають з виразу, що не враховує впливу відцентрових сил інерції. Тобто такий розрахунок К_П є дійсним лише при статичному положенні ПрЗ.

а)

б)

Рис.1. Розрахункові схеми важільних ПрЗ з охопленою (а) та охоплюючою (б) МЗ

Теоретичні дослідження впливу частоти обертання шпинделя на силові характеристики ПрЗ проводилися шляхом аналізу залежності величини коефіцієнта підсилення К_Пщ, що враховує дію відцентрових сил його неврівноважених частин, від частоти обертання шпинделя. Вирази для знаходження К_Пщ отримано аналітичним шляхом з математичної моделі передачі сил в ПрЗ, що враховує дію відцентрових сил інерції його неврівноважених частин. Для важільних ПрЗ коефіцієнти підсилення з врахуванням частоти обертання шпинделя і тертя в опорі важеля визначаються з виразів:

- для ПрЗ з охопленою МЗ

; (1)

- для ПрЗ з охоплюючою МЗ

, (2)

де згідно схем (рис. 1): - геометричні параметри важеля, м; - маса важеля, кг; - радіус обертання центра ваги важеля (т.С), м; - радіус підшипника опори важеля, м; - кутова швидкість обертання шпинделя, рад/с, - кут підйому муфти затиску, град; - кут тертя, град; Q і S_? - відповідно вхідне і вихідне зусилля ПрЗ, Н.

привод токарний верстат шпиндель



Размещено на http://www.allbest.ru/

а)

Размещено на http://www.allbest.ru/

б)

Рис. 2. Розрахункові схеми кулькового (роликового) ПрЗ з охоплюючою (а) та охопленою (б) МЗ

Для кулькового (роликового) ПрЗ коефіцієнти підсилення з врахуванням частоти обертання шпинделя визначаються з виразів:

- з охопленою МЗ

; (3)

- з охоплюючою МЗ

, (4)

де згідно схем (рис. 2): - кути нахилу фасонних поверхонь відповідно натискної та опорної шайб, град; -маса кульки (ролика), кг; - кількість кульок (роликів), - радіус обертання центра ваги кульки (ролика), м.

На графіках (рис. 3) спостерігаємо значну відмінність між зміною силових характеристик (коефіцієнта підсилення) ПрЗ з охопленою та охоплюючою МЗ при підвищенні частоти обертання шпинделя. Також з рис. 3, а видно залежність результатів досліджень від врахування (або ні) тертя в опорі важеля ПрЗ. Це доводить необхідність врахування конструкції МЗ у ПрЗ з геометричним замиканням, що працюють на високих частотах обертання. Зміна силових характеристик ПрЗ при підвищенні частоти обертання пояснюється додатковим переміщенням розклинюючих елементів або важелів під впливом відцентрових сил інерції, що у випадку з охопленою МЗ спричиняє появу додаткового зусилля на виході ПрЗ, а у випадку з охоплюючою МЗ навпаки. Таким чином ПрЗ може впливати на величину натягу в ЗМ і змінювати величину зусилля затиску в ЗП при зміні частоти обертання шпинделя, тому для високошвидкісної обробки рекомендується застосування ПрЗ з охопленою МЗ.

Теоретичні дослідження впливу частоти обертання шпинделя на енергетичні характеристики ПрЗ з геометричним замиканням проводилися шляхом аналізу залежності величини їх умовного коефіцієнта корисної дії (без врахування підводу енергії через обертання шпинделя) від частоти обертання (рис.4) з врахуванням дії відцентрових сил неврівноважених частин. Коефіцієнт комплексно характеризує ПрЗ, оскільки є добутком його силової і кінематич-ної характеристик, тобто сукупним вираженням можливостей (працездатності) ПрЗ (величини ходу труби затиску, максимального зусилля затиску та ін.).

а)

б)

Рис. 3. Залежності важільного (а) та кулькового (б) ПрЗ з охоплюючою (криві 1) та охопленою (криві 2) МЗ від частоти обертання шпинделя при a=0,0185м, b=0,054м, c=0,0175м, =0,516кг, =0,06625м, =0,01м, m=0,06кг, z=8, r=0,06м, б+г=35°, в=20°, Q=5000Н та різних ц: 1'(2')=6°, 1?'(2?')=12°, 1?'(2?')=18°

Для важільних ПрЗ умовний коефіцієнт корисної дії з врахуванням частоти обертання шпинделя і тертя в опорі важеля визначається з виразів:

- з охопленою МЗ

; (5)

- з охоплюючою МЗ

. (6)

Для кулькового (роликового) ПрЗ умовні коефіцієнти корисної дії з врахуванням частоти обертання шпинделя визначаються з виразів:

- з охопленою МЗ

; (7)

- з охоплюючою МЗ

. (8)

Отже, працездатність ПрЗ з геометричним замиканням на високих частотах обертання також визначається його конструкцією. При застосуванні у ПрЗ охоплюючої МЗ відцентрові сили інерції, які діють на розклинюючі елементи або важелі, призводять до погіршення його роботи аж до повної втрати працездатності - зменшення до нуля.

На основі виявлених закономірностей впливу частоти обертання на силові характеристики ПрЗ з геометричним замиканням типових конструкцій запропоновано спосіб стабілізації зусилля затиску заготовки при підвищенні частоти обертання. Даний спосіб ґрунтується на цілеспрямованому підборі конструкцій ПрЗ і ЗП та їх геометрично-масових параметрів.

а)

б)

Рис. 4. Залежності важільного (а) та кулькового (б) ПрЗ з охоплюючою (криві 1) та охопленою (криві 2) МЗ від частоти обертання шпинделя при a=0,0185м, b=0,054м, c=0,0175м, =0,516кг, =0,06625м, =0,01м, z=8, m=0,06кг, r=0,06м, в=20°, б+г=35°, Q=5кН та різних ц: 1'(2')=6°, 1?'(2?')=12°, 1?'(2?')=18°

Розроблені рекомендації у вигляді аналітичних залежностей щодо підбору геометрично-масових параметрів для ЗМ ТА мод. 1А(Б)240 при використанні важільно-кулачкового та цангового ЗП. Показники і є співвідношенням зміни вихідного зусилля ПрЗ та вхідного зусилля ЗП зумовлених відцентровими силами і показують, як будуть змінюватися характеристики ЗМ відповідно з важільно-кулачковим та цанговим ЗП при зміні частоти обертання шпинделя

, ,

де і - геометричні параметри відповідно важільно-кулачкового і цангового ЗП, м; і- масові параметри відповідно важільно-кулачкового і цангового ЗП, кг; - коефіцієнт тертя контактуючих поверхонь важільно-кулачкового ЗП. Якщо , то збільшення частоти обертання шпинделя призводить до зростання зусилля затиску заготовки (коефіцієнта підсилення ЗМ) та зменшення величини вхідного зусилля, необхідного для здійснення затиску під час обертання шпинделя, і навпаки, якщо . У випадку, коли , характеристики ЗМ будуть стабільними при зміні частоти обертання шпинделя.

У третьому розділі розроблена методика і наведено результати експериментальних досліджень впливу частоти обертання ЗМ і ПрЗ на їх силові характеристики. Експериментальні дослідження проводилися з використанням спеціально створеного стенда для дослідження різних ЗМ токарних верстатів. У дослідному стенді (рис. 5) функціонують механічна, гідравлічна, електрична та електронна системи, а його базовим вузлом є видозмінений шпиндельний барабан багатошпиндельного ТА мод. 1Б(А)240-6. Стенд містить привід обертання шпинделя, систему затиску заготовки, електричну систему живлення і керування, засоби вимірювання і сигналізації.

 а)

б)

Рис. 5. Стенд для дослідження затискних механізмів (а) і тензометрична система ВНП - 8 (б)

Для можливості теоретичного визначення критичної частоти обертання шпинделя з прутком (частоти обертання ПрЗ) на стенді, проведені дослідження причин її появи і розвитку. В результаті даних досліджень встановлено аналітичну залежність для визначення критичної частоти обертання шпиндельного вузла 1Б(А)240 та розроблені рекомендації з її підвищення. При накладанні умов та спрощень критична частота обертання шпинделя з прутком стенда на базі ТА мод. 1Б(А)240-6 визначається з виразу

, (9)

де , , ; , і - відповідно жорсткості шпинделя, його передньої опори і прутка, Н/м; і - маси прутка і шпинделя, кг. Згідно (9) визначена критична частота обертання шпинделя з прутком d=40мм і довжиною 960мм, яка становить . Встановлено, що при досягненні зазначеної критичної частоти обертання коефіцієнт підсилення досліджуваних ПрЗ змінюється (збільшується або зменшується в залежності від форми виконання МЗ) на 30%, що свідчить про необхідність врахування результатів проведених досліджень для можливості підвищення швидкохідності шпиндельних вузлів ТА. Також встановлено залежності критичної частоти обертання даного шпиндельного вузла від відстані між опорами прутка, діаметра прутка, жорсткості опор шпинделя.

Для вимірювання зусиль і переміщень в ЗМ використовувався метод тензометрії. Сигнали від тензодатчиків подавалися до тензометричної системи ВНП - 8 (рис. 5, б) і реєструвалися персональним комп'ютером. Схема вимірювань представлена на рис. 6. Визначення зусилля затиску заготовки відбувалося з допомогою цангового динамометра, який імітував пруток. В ході експерименту проводився затиск динамометра в ЗП з реєстрацією зусилля на трубі затиску, переміщення торця цанги та зусилля увімкнення МЗ (рис. 6). Розраховані за результатами вимірювання характеристики ЗМ і його вузлів (ЗП і ПрЗ) представлені в табл. 1 і на графіках (рис. 7).

а) б)

Рис. 6. Схема розміщення тензодатчиків для вимірювання характеристик ЗМ і ПрЗ в процесі затиску (а) та кінематична схема дослідного стенда (б)

Таблиця 1. Отримані результати вимірювання за схемою (рис. 6)

Показник	Частота оберт. шпинделя об/хв	Різниця показника
	n=0	n=1000	Абсолютна	Відносна %
Осьове переміщення цанги ДЦ , мм	1,35	1,41	+0,06	+4,44
Вихідне осьове зусилля ПрЗ S? , кН	24,0	27,6	+3,6	+15
Радіальне зусилля затиску заготовки T? , кН	24,3	25,4	+1,1	+4,5
Вхідне осьове зусилля, прикладене до МЗ Q , кН	5,1	4,3	-0,8	-15,7

Збільшення величини ходу труби затиску Д_Ц (рис. 7, а) при підвищенні частоти обертання шпинделя підтверджує правильність використаного в ході теоретичних досліджень припущення про зміну силових характеристик ПрЗ внаслідок додаткового руху його неврівноважених частин (в даному випадку важелів) під дією відцентрових сил інерції. Досліджуваний ЗМ містить у своєму складі ПрЗ з охопленою МЗ, що сприяє появі додаткового вихідного зусилля (рис. 7, в) на трубі затиску при підвищенні частоти обертання шпинделя, і цанговий ЗП, закритий силовий контур якого частково нівелює вплив відцентрових сил інерції на його затискні елементи. Ці факти пояснюють підвищення зусилля затиску (рис. 7, г) і зменшення вхідного зусилля (рис. 7, б) при підвищенні частоти обертання шпинделя. Отже, висновки отримані в результаті проведених теоретичних досліджень про зміну характеристик ПрЗ при підвищенні частоти обертання шпинделя підтверджуються даними експерименту. Досліджений ЗМ багатошпиндельного ТА серійної моделі 1Б240 є типовим пред-ставником ЗМ, в яких використовується ПрЗ з геометричним замиканням, тому висновки, що випливають з дослідження роботи цих ЗМ і ПрЗ при підвищенні частоти обертання, можна вважати загальними для даного типу механізмів.

а) б)

в) г)

Рис. 7. Залежності осьового переміщення цанги Д_Ц (а), вхідного зусилля Q (б), вихідного зусилля ПрЗ S_? (в), сумарного радіального зусилля затиску заготовки T_? (г) в часі при d=36,9 мм і n=0об/хв - крива 1 та n=1000об/хв - крива 2

У четвертому розділі розроблені і представлені рекомендації щодо удосконалення, проектування і прогнозування ПрЗ для роботи на високих частотах обертання. Для створення ПрЗ, які працюють на високих частотах обертання рекомендується використовувати такі підходи:

- створення конструкцій ПрЗ, у яких реалізуються нові принципи безконтактної передачі енергії від джерела до ППМ, що виключають негативний вплив високих частот обертання на силові (енергетичні) потоки в ПрЗ;

- компенсація - врівноваження додатковими масами;

- застосування охопленої МЗ;

- створення конструкції ПрЗ, у яких рух неврівноважених елементів можливий лише по дотичній до кола з центром на осі обертання шпинделя.

В роботі запропонований структурно-схемний синтез ПрЗ для високошвидкісної обробки з використанням системно-морфологічного підходу, згідно якого створена морфологічна модель у вигляді морфологічної таблиці і матриць. В морфологічній моделі в якості основних морфологічних ознак обрані джерело енергії (робоче середовище, кількість і вид перетворювачів енергії), вузол керування , привід затиску (структура, замикання, передатно-підсилюючий механізм, пружна та регулююча ланки), зв'язок з патроном .

Морфологічна матриця згорнута -

(10)

і розгорнута повна -

, (11)

що дає =4478976 варіантів, а для конкретного типу ТА усічена матриця (відокремлена на матриці (11) лініями) дає =61440 варіантів. Серед варіантів синтезованих схем ПрЗ шляхом експертної оцінки обрано шість, що мають покращені експлуатаційні характеристики, морфологічні формули яких представлені в табл.2. Обрані схеми реалізовані у відповідних конструкціях (табл. 2), які захищені патентами України.

Робота запропонованого електромеханічного ПрЗ (заявка на винахід а200906409) (рис. 8) відбувається так. Подача струму до обмоток 1 статора 2 спричиняє появу обертового моменту на роторі 3 та його обертально-поступальне переміщення відносно різьової поверхні корпуса 4 на величину, яка залежить від фактичного діаметра прутка, що затискається. Осьове зусилля від ротора 3 передається через ряд елементів ПрЗ до труби затиску 5 Процес затиску продовжується до моменту досягнення необхідного зусилля затиску, яке залежить лише від параметрів струму, що подається на обмотки 1. Закінчення процесу затиску (зупинка ротора при досягнення необхідного зусилля затиску, що протидіє його осьовому переміщенню) відображається у характеристиках струму обмоток 1. Підтримка зусилля затиску відбувається за рахунок самозагальмо-вування в різьбовому з'єднанні ротора 3 і корпуса 4.

Таблиця 2. Морфологічні формули синтезованих схем ПрЗ

Морфологічні формули синтезованих схем ПрЗ	№ патенту
Х0=	традиційна схема (1Б240)
Х1=	28411	корисні моделі
Х2=	29479
Х3=	30408
Х4=	47293
Х5=	31597
Х6=	а200906409 заяв. на винахід
Примітка: підкреслені альтернативи відрізняють схему від традиційної



Рис. 8. Поздовжній розріз запропонованого електромеханічного привода механізму затиску прутка (заявка на винахід №а200906409)

Процес проектування ПрЗ з геометричним замиканням для роботи на високих частотах обертання доцільно розділити на етапи:

- вибір типу і конструктивної схеми ПрЗ, що сприяє стабілізації зусилля затиску ЗМ;

- розробка елементів конструкції ПрЗ - розрахунок геометрично-масових параметрів елементів ППМ;

- розрахунок силових та енергетичних характеристик ПрЗ з геометричним замиканням;

- виявити елементи ПрЗ, що мають можливість зміщення під дією відцентрових сил інерції;

Сучасні ТА дають змогу розвивати високу частоту обертання (8-12 тис. об/хв) і вимагають швидкопереналагоджуваного, швидкодіючого та придатного для роботи на високих частотах обертання оснащення. В такому контексті основними напрямками розвитку ПрЗ для ТА є:

- створення і дослідження широкоуніверсальних ПрЗ з можливістю ефективного затиску заготовок на високих частотах обертання;

- пошук і вибір принципів: підвищення стабільності затиску заготовки на високих частотах обертання; підвищення швидкодії і зменшення часу допоміжних рухів, несумісних і зв'язаних з переналагодженням механізмів; високоефективного процесу «затиску-розтиску» на високих частотах обертання з мінімальними витратами енергії.

Застосування ПрЗ, що працюють на високих частотах обертання сприяє стабілізації зусилля затиску заготовки T_? при підвищенні швидкості обертання шпинделя, що дає змогу проводити обробку на вищих режимах різання. Величина максимального зусилля затиску T_?max обмежується умовами відсутності спотворення поверхні деталі, довговічністю та міцністю ЗМ. Відповідно до залежності T_?min=T_?max-ДT_? для збільшення мінімального зусилля затиску T_?min (яке виникає при підвищенні щ до максимальних значень) потрібно зменшити величину зміни (втрати) зусилля затиску ДT_?. Таким чином, стабілізація ДT_?>0 зусилля затиску T_?=T_?опт?T_?max=const дає змогу підвищити режими різання V, t і S. Відомо, що величина сили затиску у кулачкових ЗП може зменшуватися від дії відцентрових сил на 30-40%. Отже, можливість збільшення зусилля затиску в існуючих верстатах за рахунок стабілізації може досягати T_?max/T_?min?1,4 рази, що дозволяє збільшити подачу S в 1,4^1/у ?1,5 рази або глибину різання t в 1,4^1/x ?1,5 рази, де х і у - показники степеня, що обираються з нормативів для визначення сил різання. Отже, використання прогресивних ПрЗ дозволяє підвищити продуктивність ТА за рахунок більш повного використання його можливостей. Швидкість різання при досягненні умови T_?=T_?опт?T_?max=const може бути суттєво збільшеною (при умові використання відповідних інструментів), тобто фактично обмежуватися параметрами міцності та критичною частотою обертання шпинделя з прутком, яка відповідно до проведених теоретичних досліджень для БТА мод. 1Б240 є приблизно в три рази більшою, ніж максимальна робоча. Збільшення швидкохідності ТА сприяє підвищенню продуктивності обробки і якості обробленої поверхні. Застосування ПрЗ запропонованих конструкцій також сприяє стабілізації зусилля затиску при обробці прутка з відхиленням діаметрального розміру від номінального значення, що дає можливість більш якісно і продуктивно обробляти дешеві некалібровані прутки.

В дисертаційній роботі з допомогою статистичного методу за показником максимально досяжної частоти обертання шпиндельних вузлів БТА виконано прогноз розвитку ПрЗ, згідно якого протягом найближчих 15 років продовження росту робочої частоти обертання шпиндельних вузлів призведе до подальшої принципової модернізації швидкохідних ПрЗ.

Висновки

1. У дисертаційній роботі приведено теоретичне узагальнення і нове розв'язання науково-технічної задачі стабілізації зусилля затиску заготовки при збільшенні частоти обертання шпинделя, що забезпечить покращення силових і енергетичних показників роботи ЗМ на високих частотах обертання та підвищення продуктивності обробки на ТА. Суть проблеми полягає в тому, що при підвищенні частоти обертання шпиндельного вузла ТА дія значних відцентрових сил призводить до істотного зменшення (втрати) сил затиску заготовки в ЗП і додаткових витрат енергії в ПрЗ аж до втрати працездатності затискного механізму (ЗМ). Задачу вирішено шляхом створення та вдосконалення конструкції ПрЗ з геометричним замиканням, які сприяють стабілізації зусилля затиску заготовки. Це дало можливість збільшити продуктивність та якість обробки на ТА за рахунок підвищення режимів різання.

2. Вперше розроблено математичну моделі передачі сил у важільних та кулькових ПрЗ з урахуванням відцентрових сил інерції, на основі якої встановлено визначальний характер впливу форми виконання МЗ на зміну силових і енергетичних показників роботи ПрЗ при підвищенні частоти обертання шпинделя. Шляхом порівняльного аналізу вперше доведено доцільність застосування охопленої МЗ. Отримано аналітичні залежності силових та енергетичних характеристик ПрЗ з геометричним замиканням від частоти обертання шпинделя, що враховують вплив відцентрових сил інерції, рівнодіюча яких прикладена до центра ваги неврівноважених елементів ППМ: важелів та розклинюючих елементів (кульки, ролики та ін.). При цьому теоретично обґрунтовано нове уявлення про роботу ПрЗ на високих частотах обертання, об'єктивний характер якого підтверджено експериментально.

3. На основі проведених теоретичних досліджень роботи важільних і кулькових ПрЗ типових конструкцій встановлено:

- найменші відчутні зміни силових та енергетичних показників роботи досліджуваних ПрЗ виникають при частоті обертання шпинделя 500 об/хв і вище, тому під час високошвидкісної обробки, для забезпечення ефективної роботи ЗМ і надійності затиску заготовки, необхідно враховувати вплив частоти обертання шпинделя на експлуатаційні характеристики ПрЗ з геометричним замиканням;

- при досягненні критичної для шпиндельного вузла мод. 1Б(А)240 частоти обертання 3700 об/хв коефіцієнт підсилення досліджуваних ПрЗ змінюється (збільшується або зменшується в залежності від форми виконання МЗ) на 30%, що свідчить про необхідність врахування результатів проведених досліджень для можливості підвищення швидкохідності шпиндельних вузлів ТА.

4. Вперше показано, що для підвищення техніко-економічних показників ПрЗ при роботі на високих частотах обертання доцільно використовувати безконтактну передачу енергії від джерела за рахунок електромагнітної взаємодії і самогальмуючої гвинтової передачі. Для можливості ефективної обробки прутка на високих частотах обертання доцільно застосовувати подвійний затиск і додаткові підтримки прутка, уникати гідроциліндрів затиску, що обертаються, використовуючи ПрЗ з геометричним замиканням і охопленою МЗ.

5. Проведено комплекс експериментальних досліджень роботи ПрЗ з охопленою МЗ (в складі ЗМ мод. 1Б240 з цанговим ЗП) при зупиненому шпинделі та при обертанні з частотою 1000 об/хв на виготовленому спеціалізованому стенді, в результаті чого встановлено: при обертанні коефіцієнт підсилення ПрЗ збільшується на 36%, осьова сила S_? на 15%, зусилля затиску заготовки T_? на 4,5%, а вхідне зусилля Q зменшується на 15,7% відносно статичного положення. Це доводить можливість стабілізації зусилля затиску в ЗМ при підвищенні частоти обертання шпинделя за рахунок використання ПрЗ з геометричним замиканням та охопленою МЗ.

6. Розроблена інженерна методика проектування ПрЗ з геометричним замиканням, які ефективно працюють на високих частотах обертання та сприяють стабілізації зусилля затиску заготовки. Розроблені рекомендації і аналітичні залежності для цілеспрямованого вибору конструкції та визначення геометрично-масових параметрів вузлів ЗМ, що забезпечують стабільне (зростаюче, спадаюче) зусилля затиску заготовки при підвищенні частоти обертання шпинделя. Створені та захищені патентами України конструкції ПрЗ, які мають покращені експлуатаційні характеристики. Розроблена методика розрахунку конструктивних та силових характеристик електромеханічного ПрЗ з передачею енергії від джерела за рахунок електромагнітної взаємодії, яка реалізована у вигляді програмного продукту.

7. Результати роботи частково передані для застосування на ВАТ «Електротермометрія» (м.Луцьк) і «СКФУкраїна» (м. Луцьк), а також впроваджені в навчальний процес кафедри «Комп'ютерного проектування верстатів і технологій машинобудування» ЛНТУ та кафедри «Конструювання верстатів та машин» НТУУ «КПІ» для підготовки спеціалістів і магістрів спеціальності «Металорізальні верстати і системи».

Список праць, опублікованих за темою дисертації

1. Придальний Б.І. Вплив відцентрових сил інерції на передачу сил у важільних приводах затиску з геометричним замиканням / Ю.М. Кузнєцов, Р.Г. Редько, Б.І. Придальний // Наукові нотатки. - Випуск 18.- Луцьк, 2006. - С. 230-240. (Здобувачем розроблено методику визначення силових характеристик важільного привода затиску з урахуванням частоти обертання шпинделя)

2. Придальний Б.І. Вплив частоти обертання шпинделя на силові характеристики затискного механізму з важільним приводом / Б.І. Придальний // Всеукраїнський науково-технічний журнал «Промислова гідравліка і пневмоавтоматика». - 2007. - №3 (17). - С. 64-72.

3. Придальний Б.І. Стенд для дослідження затискних механізмів токарних верстатів на високих частотах обертання / Ю.М. Кузнєцов, Р.Г. Редько, Б.І. Придальний // Вісник КДПУ імені Михайла Остроградського. -2007. - Вип. 6, Частина 1. - С. 72-77. (Здобувачем створено стенд для експериментальних досліджень затискних механізмів)

4. Придальний Б.І. Критичні частоти обертання шпиндельного вузла токарного автомата / Ю.М. Кузнєцов, Б.І. Придальний, Р.Г. Редько //Збірник наукових праць Кіровоградського національного технічного університету. - Кіровоград, 2009.- Випуск 22.- С. 243-252. (Здобувачем запропоновано методику визначення критичної частоти обертання шпинделя з прутком з врахуванням резонансних явищ)

5. Придальний Б.І. Вплив відцентрових сил на силові характеристики приводів затиску з розклинюючими елементами і геометричним замиканням / Б.І. Придальний, Ю.М. Кузнєцов, Р.Г. Редько // Наукові нотатки. - Випуск 25.- Луцьк, 2009. - С. 297- 303. (Здобувачем розроблено методику визначення силових характеристик привода механізму затиску з розклинюючими елементами з врахуванням частоти обертання шпинделя)

6. Придальний Б.І. Особливості проектування приводів механізму затиску заготовок для високошвидкісної токарної обробки / Б.І. Придальний // Науковий журнал «Технологічні комплекси». - 2010. - №1. - С 117-123.

7. Декл. пат. на кор. модель 28411 Україна, В23В 13/00. Привід затиску / Кузнєцов Ю.М., Придальний Б.І.; заявник і власник патенту Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут». - №200708171; заявл. 18.07.2007; опубл. 10.12.2007, Бюл. №20. (Здобувачем розроблено конструкцію пристрою)

8. Декл. пат. на кор. модель 29479 Україна, В23В 13/00. Привод механізму затиску / Кузнєцов Ю.М., Придальний Б.І.; заявник і власник патенту Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут». - №200711227; заявл. 10.10.2007; опубл. 10.01.2008, Бюл. №1. (Здобувачем розроблено конструкцію пристрою)

9. Декл. пат. на кор. модель 30408 Україна, В23В 13/00. Механізм затиску прутка / Кузнєцов Ю.М., Придальний Б.І.; заявник і власник патенту Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут». - №200712164; заявл. 02.11.2007; опубл. 25.02.2008, Бюл. №4. (Здобувачем розроблено конструкцію пристрою)

10. Декл. пат. на кор. модель 31597 Україна, В23В 13/00. Пристрій для затиску пруткового матеріалу / Кузнєцов Ю.М., Придальний Б.І.; заявник і власник патенту Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут». - №200714832; заявл. 26.12.2007, опубл. 10.04.2008, Бюл. №7. (Здобувачем розроблено конструкцію пристрою)

11. Декл. пат. на кор. модель 47293 Україна, (2009) В23В13/00. Пристрій для затиску пруткового матеріалу / Кузнєцов Ю.М., Придальний Б.І., Редько Р.Г.; заявник і власник патенту Луцький національних технічних університет. - №200907924; заявл. 27.07.2009, опубл. 25.01.10, Бюл. №2. (Здобувачем розроблено конструкцію пристрою)

Анотація

Придальний Б.І. Створення приводів затиску для швидкохідних токарних автоматів. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.01 процеси механічної обробки, верстати та інструменти. Тернопільський національний технічний університет імені Івана Пулюя, Тернопіль, 2011.

Дисертація присвячена створенню та вдосконаленню конструкцій приводів механізму затиску швидкохідних автоматизованих токарних верстатів.

Запропоновано враховувати вплив частоти обертання шпинделя на експлуатаційні характеристики приводів затиску (ПрЗ) з геометричним замиканням. Вдосконалено математичні залежності для визначення силових і енергетичних характеристик ПрЗ токарних автоматів, що працюють на високих частотах обертання. Встановлено вплив конструктивних особливостей ПрЗ, а саме виду муфти затиску, на характер зміни його працездатності при підвищенні частоти обертання шпинделя. Запропоновано спосіб стабілізації зусилля затиску заготовки при підвищенні частоти обертання шпинделя за рахунок застосування прогресивних ПрЗ з геометричним замиканням. Представлені результати теоретичних та експериментальних порівняльних досліджень характеристик ПрЗ з геометричним замиканням типових конструкцій при зупиненому шпинделі і під час його обертання.

Розроблені рекомендації щодо проектування ПрЗ для швидкохідних токарних автоматизованих верстатів. Розроблені нові конструкції ПрЗ з покращеними експлуатаційними характеристиками та розширеними технологічними можливостями.

Ключові слова: механічний та електромеханічний привід затиску, затискний механізм, високошвидкісна обробка, токарний автомат, відцентрові сили інерції, зусилля затиску заготовки, морфологічний аналіз.

Аннотация

Придальный Б.И. Создание приводов зажима для быстроходных токарных автоматов. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.03.01 - процессы механической обработки, станки и инструменты. Тернопольский национальный технический университет имени Ивана Пулюя, Тернополь, 2011.

Диссертация посвящена созданию и совершенствованию конструкций приводов механизма зажима высокоскоростных токарных станков.

Результаты диссертационных исследований позволяют повысить производительность токарных автоматизированных станков за счет совершенствования (создания) конструкции ПрЗ с геометрическим замыканием, что способствует стабилизации усилия зажима заготовки и улучшению технико-экономических показателей работы механизма зажима на высоких частотах вращения. Для этого предложено учитывать влияние частоты вращения шпинделя на эксплуатационные характеристики ПрЗ с геометрическим замыканием. С этой целью предложены математические зависимости для определения силовых характеристиках ПрЗ токарного автомата, работающего на высоких частотах вращения. Установлены закономерности влияния частоты вращения шпинделя на эксплуатационные характеристики наиболее распространенных типов ПрЗ с геометрическим замыканием. В частности, определено влияние конструктивных особенностей ПрЗ, а именно вида зажимной муфты, на характер изменения его работоспособности при повышении частоты вращения шпинделя. Установлено, что ПрЗ с геометрическим замыканием и охваченной муфтой зажима имеют лучшие эксплуатационные характеристики при повышении частоты вращения шпинделя по сравнению с ПрЗ с охватывающей муфтой зажима.

Предложен способ стабилизации усилия зажима заготовки при повышении частоты вращения шпинделя за счет применения прогрессивных ПрЗ с геометрическим замыканием и соответствующими геометрически-массовыми параметрами его элементов. Для выбора необходимых геометрически-массовых параметров элементов ПрЗ разработаны, экспериментально обоснованы и представлены в аналитическом виде соответствующие рекомендации.

Составлены рекомендации по созданию ПрЗ, приспособленных для работы на высоких частотах вращения. Предложены новые конструкции ПрЗ с улучшенными эксплуатационными характеристиками и расширенными технологическими возможностями. Для повышения технико-экономических показателей ПрЗ при работе на высоких частотах (устранение негативного воздействия высоких частот вращения) создана конструкция, в которой подача входного усилия происходит за счет электромагнитного взаимодействия. Разработана методика расчета конструктивных и силовых характеристик данного ПрЗ, которая реализована в виде программного продукта.

...