Створення робочих органів з рухомою платформою для верстатів з механізмами паралельної структури

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки, молоді та спортуУкраїни

Національний технічний університет України

„Київський політехнічний ІНСТИТУТ”

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Спеціальність: 05.03.01 - процеси механічної обробки, верстати та інструмент

Створення робочих органів з рухомою платформою для верстатів з механізмами паралельної структури

ФІРАНСЬКИЙ ВОЛОДИМИР БОРИСОВИЧ

Київ - 2011

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Пріоритетним напрямком розвитку верстатобудування України є створення вітчизняних конкурентно-спроможних на ринку верстатів з високими техніко-економічними показниками, що визначають ефективність процесів оброблення. Серед них, основними є: продуктивність, якість та зниження витрат.

Одним з шляхів підвищення продуктивності є використання сучасних робочих органів верстатів, що разом з прогресивним інструментальним оснащенням дозволить підвищити якість отримуваних поверхонь деталей. В свою чергу, використання модульного принципу побудови нового верстатного обладнання дозволить зменшити час на проектування та складання нових верстатів, а застосування конструкцій на основі каркасних компоновок призведе до зменшення металоємності і як наслідок зниження собівартості.

Враховуючи вище сказане, роботи в напрямку створення нових перспективних конструкцій верстатного обладнання з МПС та зокрема дослідження їх складових - робочих органів з рухомою платформою (РОзРП) є актуальною задачею.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження проводились у НТУУ «КПІ» в рамках держбюджетних тем: №2988 «Створення вузлів і механізмів для надшвидкісної та прецизійної обробки деталей на верстатах нового покоління з паралельною кінематикою» (№ державної реєстрації 0106U007223) та №2267-ф «Розвиток теорії проектування верстатів нових компоновок на базі системного аналізу та синтезу механізмів з паралельною структурою» (№ державної реєстрації 0109U000817) кафедри “Конструювання верстатів та машин ” НТУУ “КПІ”. Дисертація зв'язана з дослідно-конструкторськими роботами, що проводяться в рамках міжнародного співробітництва між НТУУ «КПІ» і Технічного університету Габрово (Болгарія).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є підвищення техніко-економічних показників верстатів нового покоління, в т.ч. з механізмами паралельної структури, за рахунок створення робочих органів з рухомою платформою і обґрунтування їх конструктивних і технологічних параметрів.

Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі основні задачі:

1. Проаналізувати та систематизувати відомі конструкції робочих органів (РО) існуючих верстатів традиційних компоновок і з МПС, існуючий стан досліджень в цьому напрямку.

2. Виконати теоретичні дослідження РОзРП зі штангами постійної довжини на базі свердлильно-фрезерного верстата пірамідальної компоновки.

3. Виконати теоретичні дослідження пружно-силових характеристик і напруженого стану інструментальних затискних патронів (ІЗП) як основних складових РОзРП.

4. Розробити діючий макет СФВПК, оснащення і методику експериментальних досліджень характеристик РОзРП.

5. Експериментально дослідити пружно-силові характеристики РОзРП.

6. Виконати структурно-схемний синтез ІЗП з використанням системно-морфологічного підходу.

7. Розробити рекомендації щодо проектування РО для верстатів нового покоління, побудованих на модульному принципі.

Об'єкт дослідження - характеристики робочого органу з рухомою платформою для здійснення процесів високошвидкісного оброблення деталей на верстатах каркасної пірамідальної компоновки.

Предмет дослідження - робочий орган з рухомою платформою свердлильно-фрезерного верстата пірамідальної компоновки (СФВПК).

Методи дослідження. Теоретичні дослідження проведенні на основі фундаментальних засад конструювання верстатів та машин, технології машинобудування, опору матеріалів, теоретичної механіки, інформатики, теорії механізмів паралельної структури, теорії конструювання технічних систем, а також основ інженерної творчості і вибору раціональних технічних рішень. Апробація розроблених алгоритмів і методик проводились методом комп'ютерного моделювання, в основу більшості методів теоретичних досліджень покладені алгоритми пружно-силових розрахунків методом кінцевих елементів теорії пружності. В експериментальних дослідженнях були використані сучасні методи і засоби вимірювання. Оброблення результатів виконувалось з використанням теорії експерименту та математичної статистики за допомогою стандартних програм з використанням існуючого технологічного обладнання, розробленого та виготовленого дослідного зразка СФВПК та технологічного оснащення.

Наукова новизна одержаних результатів:

1. Вперше для верстатів зі штангами постійної довжини і несучої системи у вигляді пірамідального каркаса встановлено, що жорсткість РОзРП змінюється в залежності від його положення.

2. Встановлено, що в балансі жорсткості штанги постійної довжини найменшу жорсткість мають шарнірні з'єднання. Для її підвищення вперше запропонований і розроблений спосіб вибірки люфтів за рахунок створення гідравлічного натягу.

3. Виведена аналітична залежність для розрахунку жорсткості складових РОзРП з врахуванням контактних та температурних деформацій.

4. Встановлено, що вплив відцентрових сил в ІЗП з гвинтовими цангами, які мають закритий силовий контур, залежить від кроку гвинтової лінії.

5. Одержані аналітичні залежності для компенсації відцентрових сил в ІЗП з гвинтовою цангою.

Практичне значення одержаних результатів:

В результаті проведеної роботи було створено діючий макет СФВПК, розроблені рекомендації щодо проектування, алгоритми розрахунку РОзРП для нового покоління верстатів каркасної компоновки з МПС, побудованих на модульному принципі. Експериментальні дослідження пружно-силових характеристик ІЗП і РОзРП дозволили встановити слабкі ланки і розробити практичні рекомендації по їх удосконаленню. Розробленні конструкції ІЗП з гвинтовою цангою та СФВПК впроваджено у виробництво на ТОВ «ТехноСвіт - України» (м. Київ) та ПП «Баранов». Результати роботи передані для використання холдінговій компанії «Мікрон» (м. Одеса). Методики розрахунку пружно-напруженого стану РОзРП СФВПК використовуються в навчальному процесі на кафедрі «Конструювання верстатів та машин» НТУУ «КПІ» при викладанні дисципліни «Технологічне обладнання з паралельною кінематикою», а також в Технічному університеті Габрово (Болгарія) згідно робочої програми співробітництва з НТУУ «КПІ».

Особистий внесок здобувача: розробка методики і способів досягнення поставленої мети, виконання розрахунків, аналіз та узагальнення отриманих результатів; розробка конструкції експериментального обладнання, вимірювальних пристосувань і проведені експериментів; встановлення аналітичних залежностей для визначення пружно-силових характеристик елементів РОзРП (гвинтової цанги, штанги постійної довжини з шарнірами різної конструкції); синтез нових конструкцій високошвидкісних і прецизійних ІЗП з використанням системно-морфологічного підходу на рівні винаходів та корисних моделей.

Постановка мети, роз'яснення задач та аналіз отриманих наукових результатів виконувалась разом з науковим керівником.

Апробація результатів дисертації. Основні положення та результати роботи були заслухані, обговорені та отримали схвалення на дев'яти конференціях в тому числі шістьох міжнародних та одній за межами України:

- VIII Всеукраїнська молодіжна науково-технічна конференція «Машинобудування очима молодих» (2008, Луцьк, Україна);

- V міжнародній конференції «Модульные конструкции и технологии в машиностроении» МТК-09 (2009, RZESZOW-REGIETOW, Польща);

- VII міжнародній науково-технічній конференції «Важке машинобудування. Проблеми та перспективи розвитку», (м. Краматорськ, 2009 р.);

- ХІ міжнародній науково-технічній конференції «Прогресивна техніка і технологія - 2010» присвячена 100-річчю від дня народження академіка НАН України Г.С. Писаренка (2010, Київ, Україна);

- XV міжнародній науково-технічній конференції «Гідроаеромеханіка в інженерній практиці» (2010, Київ, Україна);

- Науково-технічному семінарі в ІНМ ім. В. М. Бакуля НАН України (2010, м. Київ, Україна)

- міжнародній науково-технічній конференції ТК-2010 «Прогресивні напрямки розвитку технологічних комплексів» (2010, Луцьк, Україна)

- ІІ міжнародній науково-технічній конференції «Теорія та практика раціонального проектування, виготовлення і експлуатації машинобудівних конструкцій» (2010, Львів, Україна)

- студентській науково-технічній конференції ММІ НТУУ «КПІ» (2011 р.).

Публікації. За темою дисертації опубліковано 14 наукових праць, серед них: 5 статей в провідних фахових виданнях, 3 тез доповідей, 1 патент України на винахід та 4 патентів України на корисну модель.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається зі вступу, п'яти розділів, загальних висновків, списку використаних джерел із 159 найменувань та додатків. Робота викладена на 169 сторінках машинописного тексту, містить 117 рисунків, 16 таблиць та 12 додатків. Загальний об'єм дисертації складає 248 сторінок.

Основний зміст роботи

пірамідальний свердлильний фрезерний верстат

У вступі подано загальну характеристику роботи, сформовано мету, об'єкт, предмет досліджень та задачі, які розв'язувалися в роботі, викладено наукову новизну і практичне значення одержаних результатів. Обґрунтовано доцільність проведення досліджень та перспективність використання розробленого технологічного оснащення та устаткування.

В першому розділі було проведено патентно-інформаційні дослідження, аналіз вивченої літератури і раніше виконаних теоретичних та експериментальних досліджень. Також розглянуті основні тенденції розвитку сучасного технологічного обладнання, основні засади та принципи їх побудови, а також складові сучасних ІС. Крім того проаналізовані існуючі підходи до статичного аналізу ІС, впливу діючих на них сил, як зовнішніх так і внутрішніх.

На підставі проведеного аналізу можна стверджувати, що на сьогоднішній день вітчизняні споживачі здебільшого використовують вживане, застаріле верстатне обладнання, а купувати нові сучасні верстати в потрібній кількості вони не в змозі, через занадто високі відпускні ціни. Цю проблему можна вирішити розробленням та створенням відносно дешевих верстатів нового покоління, в т. ч. з МПС. РОзРП верстатів каркасної компоновки з МПС на штангах постійної довжини недостатньо вивчені з погляду силових та жорсткістних характеристик і впливу на них різних чинників. Відсутні комплексні принципи створення та розрахунку РОзРП верстатів каркасної компоновки з МПС на штангах постійної довжини. Недостатньо вивчені можливості використання гвинтових затискних цанг в ІЗП для високошвидкісної обробки. Відсутні впровадження верстатів з МПС на підприємствах України.

Тому, враховуючи проведений аналіз літературних джерел та існуючого стану наукових розробок визначені основні напрямки та сформульовані задачі дослідження.

У другому розділі «Теоретичні дослідження робочого органу з рухомою платформою свердлильно-фрезерного верстата чотирьохгранної пірамідальної компоновки» визначено предмет дослідження - робочий орган на рухомій платформі, проведено його структурний, кінематичний та кінетостатичний аналіз, а також проведене математичне моделювання формоутворюючих рухів сфвпк-4 із штангами постійної довжини.

В якості предмету дисертаційного дослідження було обрано робочий орган свердлильно-фрезерного верстата каркасної компоновки з МПС на основі чотиригранної піраміди сфвпк-4.

До основних складових РОзРП сфвпк-4, наведеної на рис.1, відносяться інструмент 1, що затиснений в ІЗП який є частиною мотор шпинделя 2, закріпленого на рухомій платформі 3, що кріпиться за допомогою штанг постійної довжини з шарнірами 4 до рухомих кареток 5, механізму поступового переміщення 6 (передача гвинт-гайка), який закріплено до основи 10 через опори гвинта 7 та лінійні напрямні 8 і приводиться в дію за рахунок крокових електродвигунів 9.

Перевіримо умови працездатності МПС сфвпк-4.

Кількість ступенів рухливості вихідної ланки відносно основи (нерухомої) Wср, котру може забезпечити механізм, визначається за формулою Сомова - Малишева. Для СФВПК-4 W_ср = 2, тобто РОзРП має два ступеня вільності.

Ступінь нерухомості механізму Wсн, що визначається як ступінь рухомості механізму при зафіксованих парах з керуємими приводами, повинна дорівнювати нулю. Якщо для МПС Wсн ? 0, то такий механізм непрацездатний і вихідна ланка буде мати некеровані рухи. Тому для забезпечення працездатності МПС необхідно виконати умови:

Wср > 0, Wсн = 0.

Для СФВПК-4 ця умова виконується при двох заблокованих і двох керованих приводах.

Створений верстат СФВПК-4 (рис. 2) має чотири штанги постійної довжини, кожна з яких зв'язана із відповідною кареткою 1, 2, 3, 4 на напрямних і окремим приводом поступального руху (на рис. 2 не показано) за допомогою циліндричних шарнірів. З рухомою платформою, штанги з'єднані триступеневими шарнірами.

В такому виконанні МПС свердлильно-фрезерного верстату одночасно має одну лінійну координату Z та одну з кутових координат А або В. Компоновку доповнено двохкоординатним хрестовим столом для базування і переміщення заготовок вздовж Х і Y.



В роботі було виконано розрахунок плоских стержневих систем на навантаження, що діють в основних площинах верстата. Складено матриці структури, рухомостей та навантаження.

В підсумку можна зазначити, що в розділі розроблено та обґрунтовано математичні засади для кінетостатичного аналізу РОзРП. Визначено робочий простір та основні формоутворюючі рухи сфвпк-4 (рис. 3), в результаті чого сформовано його основні технічні характеристики та визначений клас оброблюваних деталей, а також закладені та сформульовані основні методики для подальших розрахунків та аналізу подібного нового обладнання.

У третьому розділі «Теоретичні дослідження напруженого стану і пружно-силових характеристик робочого органу з рухомою платформою» наведено теоретичні дослідження конструкцій ІЗП та РОзРП. Визначені пружно-силові характеристики нового ІЗП для високошвидкісної обробки з гвинтовою затискною цангою. Здійснено його розрахунок за допомогою методу скінчених елементів (МСЕ). Запропоновані залежності для визначення жорсткості штанг постійної довжини, які доцільно використовувати при проектуванні РО і аналізу баланса жорсткості всієї технологічної системи верстата. Розроблена розрахункова модель та проаналізована загальна конструкція РОзРП СФВПК-4.

Одним з об'єктів досліджень пружно-силових характеристик РОзРП є новий синтезований ІЗП по патенту України № 26781 з гвинтовими цанговими затискними елементами з різним кроком для затиску циліндричних хвостовиків різальних інструментів діаметром 12 мм (рис. 4, а).

Затискний патрон містить корпус 3, в якому розташований пружний затискний елемент 5 із зовнішньою конічною поверхнею і внутрішньою циліндричною, виконаний у вигляді пружної втулки у вигляді пружини з кількістю витків щонайменше два, упорну гайку 2 з можливістю нагвинчування на зовнішню різьбу кінця корпусу 3. Шайба 6 розташована попереду торця затискного елементу 5 з упорним конусом з кутом б, вершина якого спрямована в сторону затискного елементу 5 і взаємодіє по конічній поверхні з кульками 7, які розміщені в проміжку між шайбою 6 і внутрішнім торцем втулки 1. В середині корпуса 3 розміщений упор 4, який призначений для встановлення затискного елементу 5 до “упору”.

Однією з характеристик даного патрону є величина додаткової осьової сили що створюється кульками для компенсації втрат від відцентрових сил (рис. 4, б). Тому були визначені основні силові залежності, що впливають на затискну цангу:

відцентрова сила, що створюється кульками,

_; (1)

додаткова осьова сила

_;(2)

коефіцієнт компенсації втрат відцентрових сил

(3)_.

В результаті моделювання були отримані графіки залежності додаткової осьової сили ДS від кута нахилу упорної поверхні шайби г при різних коефіцієнтах тертя f та частотах обертання, а також графіки залежності додаткової осьової сили ДS від коефіцієнта компенсації втрат відцентрових сил б_S при різних частотах обертання n для різних значень коефіцієнтів тертя f.

Оскільки просторова геометрія гвинтової цанги має складну форму, то дуже складно визначити її пружно-силові характеристики традиційними аналітичними методами. Тому для проведення теоретичних досліджень було обрано МСЕ. Були визначені необхідні граничні умови та введенні параметри матеріалу деталей.

В результаті моделювання (рис. 5) були отримані попередні величини деформацій, напружень та вектори переміщень основних точок пружного елемента. Це дало змогу впевнитися в працездатності запропонованої конструкції та попередньо визначити поведінку затискного елементу в статичних умовах навантажень.



Також були дослідженні інші варіанти конструкції гвинтової цанги, що відрізнялися між собою кроком гвинтової лінії та кількістю пелюсток.

За результатами проведених досліджень встановлено, що конструкція синтезованого патрону має значно більшу жорсткість порівняно зі звичайним цанговим патроном. Це дає змогу зробити висновок, що використання нового ІЗП при високошвидкісній обробці дозволить підвищити жорсткість інструментальної системи, що в свою чергу, призведе до підвищення точності оброблення та якості оброблюваної поверхні. Також було виявлено конструктивні вади затискних цанг з несиметричною кількістю пелюсток, що унеможливлює їх використання для процесів високошвидкісного оброблення.

Встановлено, що зі збільшенням кроку гвинтової лінії пелюсток симетричної цанги відповідно збільшується її жорсткість. В той же час зі збільшенням кількості пелюсток жорсткість зменшується.



Залежність зміни жорсткості від кроку гвинтової лінії можна записати у степеневому вигляді: , де А - коефіцієнт залежний від кількості пелюсток цанги; х - показник степеню.

Крім того розглянуто вплив відцентрових сил в гвинтових цангах, які мають закритий замкнутий силовий контур (рис. 6) і отримано наступну залежність сили затиску інструменту від сил що діють в системі:

, (4)

де Т - сила затиску створена гвинтовим цанговим елементом; F_Ц - відцентрова сила; С_П - жорсткість патрону; С_І - жорсткість хвостовика інструменту.

З отриманої залежності видно, що при збільшенні жорсткості затискного елементу вплив відцентрової сили зменшується, тим самим збільшується сила затиску деталі. Також, вплив F_Ц можна зменшити за рахунок зменшення С_І, виконанням хвостовика інструменту трубчастої форми.

Одним з піддатливих елементів в РОзРП є штанга постійної довжини з опорними шарнірами (рис. 1.,б), яка при навантаженні змінює свою довжину на величину

 =_о + _р, (5)

де _о - люфт від конструктивних проміжків; _р- повздовжня деформація тіл і з'єднань штанги в залежності від навантаження Р і температури, яка в загальному вигляді дорівнює:

(6)

де l_i,l_i - деформація і-того тіла відповідно від сили розтиску-стиску і температури; _kj - контактне зближення j-того стиску; n, m - кількість відповідно послідовно з'єднаних тіл і контактів.

В подальшому при теоретичних дослідженнях враховані складовіl_i і li

Для проведення попереднього проектного розрахунку пружно-напруженого стану запропонованої конструкції РОзРП верстата СФВПК-4 було вибрано комплекс програмних продуктів для розрахунків деталей машин на міцність APM WinMachine, (APM Structure 3D), в основу якого покладено теоретичні та практичні напрацювання МГТУ ім. Баумана в галузі наближених методів розв'язання лінійних задач теорії пружності. До цих методів відносяться метод кінцевих елементів, метод кінцевих різниць та інші.



Для проведення розрахунків в системі APM Structure 3D потрібно створити розрахункову модель каркасу верстата СФВПК-4 (рис. 7), яка включає в себе просторову конструкцію виконану у вигляді стержнів заданого початкового перерізу, пластин, опор та сил що діють на систему, а також визначити початкові умови у вигляді сил, прикладених до системи, форми та перерізів стержнів та їх закріплення (рис. 8).

Оскільки РОзРП має рух відносно осі Z верстата за рахунок переміщення вздовж модулів поступового руху, то розрахунки проводилися для верстата в різних її положеннях. Для цього було побудовано декілька розрахункових моделей верстата для різних положень кареток штанг вздовж напрямних від 50 мм до 900 мм з кроком 50 мм.

Після визначення всіх граничних умов та проведення розрахунків отримані діаграми навантажень на стержньову систему, переміщень її вузлів та інші дані (навантаження в вузлах, коефіцієнти запасу, деформації та т. п.) необхідні для аналізу конструкції.

Аналізуючи отримані результати, можна стверджувати, що запропонована конструкція багатоцільового багатокоординатного свердлильно-фрезерного верстата каркасної компоновки має великий запас міцності. Також видно, що основні деформації припадають на інструмент та рухому платформу, тому потрібно вирішувати задачу збільшення міцності цих елементів. Крім того для розробки в майбутньому верстатів підвищеної точності та жорсткості потрібно звернути особливу увагу на форму та розміри поперечних перерізів штанг постійної довжини та конструкцію шарнірних вузлів та рухомої платформи в цілому.

Оцінити зміну жорсткості в залежності від положення штанг РОзРП можна з графіка, наведеного на рис 9.

За результатами теоретичних досліджень встановлено залежність жорсткості РОзРП від положення штанг.

Вона має наступний вигляд: Ах² - Вх + С, де А, В, С - коефіцієнти, що залежать від конкретного випадку конструктивного виконання РОзРП. Для досліджуваної конструкції РОзРП А=0,091344, В=52,592, С=49869

Після проведених теоретичних досліджень можливо порівняти декілька варіантів компоновок верстатів між собою.

Так для порівняння було взято (рис. 10, а): І - СФВПК-4 побудований на основі каркасної компоновки з МПС; ІІ - вертикально-фрезерного верстата традиційної компоновки мод. 6Т12; та ІІІ - багатокоординатний свердлильно-фрезерний верстат пірамідальної каркасної компоновки без МПС (заявка на корисну модель №u201103750 від 28.03.2011.).

Для кожного з них була побудована розрахункова схема, та задані однакові силові умови (максимальна осьова сила Ро = 5600Н), та вирахувана їх жорсткість.

З результатів розрахунків видно (рис. 10, б), що максимальна осьова жорсткість багатокоординатного свердлильно-фрезерного верстат пірамідальної каркасної компоновки без МПС складає 643678 Н/мм, що в 2,82 разів більша ніж у РОзРП СФВПК-4, та в 2,46 раз більша за осьову жорсткість вертикально-фрезерного верстата мод. 6Т12 (що за розрахунками складає 261316 Н/мм). При цьому його металоємність в 5,2 рази менша за верстат традиційної компоновки.

Враховуючи розрахунки, можна стверджувати, що РОзРП досліджуваної компоновки верстата має достатньо високу жорсткість для забезпечення заданих параметрів точності оброблення заготовки та її якісних характеристик. Також з результатів розрахунків видно, що суттєвою перевагою є розташування центру ваги даної конструкції в зоні оброблення заготовки, що позитивно впливає на збалансованість всієї системи та процес оброблення в цілому.

У четвертому розділі «Експериментальні дослідження робочого органу з рухомою платформою» визначені предмети та сформульовано методику експериментальних досліджень, наведені та опрацьовані їх результати, зроблені висновки, щодо відповідності отриманих результатів та теоретичних розрахунків.

За результатами вимірів побудовані графіки залежності моменту прокручування М_ПР і коефіцієнта підсилення k_M = М_ПР/М_З від моменту затиску М_З. Виконані розрахунок середнього коефіцієнта підсилення k_Mср для трьох випадків і побудована діаграма (рис. 11, а,б).

За аналогічною методикою були виконані заміри сили проштовхування Р_ПР в залежності від моменту затиску М_З і побудований графік. З результатів досліджень видно що сили затиску інструменту достатньо для здійснення процесу різання.

Для виміру радіальної жорсткості системи “інструмент-патрон” виконувались навантаження й розвантаження на оправку для кожної цанги при діаметрі оправки d = 12 мм і чотирьох різних моментів затиску на гайці. За результатами вимірів виконали розрахунок жорсткості системи для трьох випадків й побудували графіки відтискань, визначили середню жорсткість для кожної цанги j_ср (рис. 11, в).

Значення радіальних биттів (рис. 11, г) для гвинтових цанг лежать в межах допусків 6-го степеня точності згідно ГОСТ 24643-81.

В ході виконання досліджень було виготовлено дослідний діючий макет РОзРП СФВПК-4 (рис. 12, а), який складається з інструменту 1, ІЗП 2, моторшпинделя 3, рухомої платформи 4, трьохрухомого шарніра 5, штанги постійної довжини 7, однорухомого шарніра 7, рухомої каретки 8 та передачі гвинт-гайка 9.

Для проведення експериментальних досліджень був спроектований, виготовлений та встановлений дослідний стенд (рис. 12, б), який складається з 1 - стержень дослідний; 2 - навантажувального пристрою; 3 - магнітних стійок з індикаторами; 4 - рамна стенду для встановлення індикаторів. В свою чергу навантажувальний пристрій (рис. 12, в) складається з перехідної плити 2, навантажувальної втулки 3, динамометру камертонного типу 4, перехідної втулки 5, кульки 6, стержня дослідного 7 та рами верстата СФВПК 1.

Відповідно до схеми (рис. 12, г) та методики проведення досліджень певні індикатори вимірюють відповідні переміщення: №№ 1, 2, 3 - вимірювання осьового переміщення; №№ 4, 5, 6, 7, 8 - вимірювання просторового переміщення в площині платформи.



Для порівняння результатів теоретичних та експериментальних даних досліджень рухомої платформи СФВПК-4 застосований коефіцієнт розкиду жорсткості: _С = С_max/С_min, де С_max - максимальна оцінювана жорсткість верстата; С_min - мінімальна оцінювана жорсткість верстата.

Враховуючи це, побудуємо зону розбіжності значень відповідно між _Ст - коефіцієнт розкиду теоретичних значень жорсткості та _Се - коефіцієнт розкиду експериментальних значень жорсткості (рис. 13)



Рис. 13. Графік розбіжності коефіцієнт розкиду жорсткості

Максимальна похибка коефіцієнту розкиду жорсткості серед усіх положень складає = 14,15%

Встановлено що характер зміни жорсткості в залежності від положення рухомої платформи відповідає теоретичним розрахункам. Різниця між теоретичними значеннями та експериментальними складає не більше 14,15%.

.У п'ятому розділі «Розробка рекомендацій і методики проектування робочих органів для верстатів нового покоління» запропоновано модульний принцип побудови РОзРП для верстатів пірамідальної компоновки, розглянуто можливі області застосування та запропоновані варіанти шпиндельних вузлів, визначені слабкі місця конструкції за результатами досліджень та запропоновано варіанти їх вдосконалення, а саме запропоновані конструкції шарнірних з'єднань та спосіб усунення в них люфтів (Заявка на корисну модель №u201110316 від 23.08.2011).

На рис. 14 показаний один з варіантів шарнірного з'єднання з можливістю вибірки люфтів, що містить дві контактуючі частини - палець 1 з циліндричною зовнішньою поверхнею оболонки «а» і опору 2 з відповідним циліндричним отвором. В пальці виконана замкнена ємність порожнини «b», заповнена рідиною, яка під тиском подається від гідросистеми через штуцер 3 і отвір «с». Палець 1 розташований в отворах вилки - кінця штанги 4, опори 2 і зафіксований від провороту гвинтом 5, а від осьового руху стопорною шайбою 6. Опора 2 за допомогою гвинтів 7 жорстко зв'язана з робочим органом 8. Принцип роботи шарнірного з'єднання побудований на способі вибірки люфта в ньому. При відсутності тиску рідини в гідросистемі між пальцем 1 і опорою 2 існує конструктивний зазор , що спричиняє люфт в шарнірному з'єднанні і в стрижньовій системі механізму, наприклад, паралельної структури із штангами постійної довжини. Для усунення цього люфта від гідронасоса рідина подається в порожнину «b» пальця 1 під тиском, величина якого залежить від деформації оболонки «а» на величину радіального проміжку . Під дією тиску оболонка пальця деформується - розтискається, при цьому радіальний розмір циліндра або сфери збільшується і вибирається конструктивний проміжок між контактуючими поверхнями, площа контактуючих поверхонь збільшується, жорсткість підвищується, а зношення зменшується.

Крім того в розділі за допомогою структурно-схемного синтезу з використанням метода морфологічного аналізу було синтезовано нові конструкції ІЗП для високошвидкісного оброблення. Також визначені подальші напрямки розвитку робочих органів і компоновок свердлильно-фрезерних верстатів з МПС.

Результати роботи впроваджені у виробництво на ТОВ «ТехноСвіт - України» (м. Київ) та ПП «Баранов», а також передані для використання холдінговій компанії «Мікрон» (м. Одеса).

ОСНОВНІ ВИСНОВКИ ПО РОБОТІ

Основний результат дисертаційної роботи полягає в теоретичному доведенні і практичному підтвердженні поліпшення техніко-економічних показників (продуктивності, зниженні енергосировинних витрат, розширення технологічних можливостей) пірамідальних свердлильно-фрезерних верстатів нового покоління, в т.ч. з механізмами паралельної структури, за рахунок створення робочих органів з рухомою платформою і обґрунтування їх конструктивних і технологічних параметрів.

Проведені теоретичні і експериментальні дослідження РОзРП та ІЗП дозволили сформулювати наступні висновки:

1. Вперше спроектовано та виготовлено діючий макет СФВПК-4, експериментальні дослідження якого підтвердили теоретичні висновки і довели його працездатність та економічну доцільність.

2. Вперше встановлено, що жорсткість РОзРП змінюється від його положення на штангах постійної довжини, при чому для пірамідальної компоновки мінімальні значення жорсткості знаходяться в нижніх робочих положеннях, а максимальні при вершині піраміди, різниця між ними складає 1,8 раза.

3. Встановлено, що жорсткість РОзРП підпорядковується поліноміальному закону другого порядку і залежить від його положення, що підтверджено результатами експериментальних досліджень.

4. Встановлено, що в балансі жорсткості штанги постійної довжини низьку жорсткість мають шарнірні з'єднання з конструктивними проміжками, що утворюють люфти, величина яких, згідно експериментів, досягає до 1 мм, для вирішення цієї проблеми запропоновані конструкції оболонкових шарнірних з'єднань та спосіб усунення люфтів за рахунок створення гідравлічного натягу, а для врахування контактних та температурних деформацій в різних з'єднаннях РОзРП виведено аналітичну залежність.

5. Теоретичними дослідженнями РОзРП СФВПК-4 зі штангами постійної довжини встановлено, що використання таких штанг при створенні верстатів з МПС, побудованих на основі пірамідальних каркасних компоновок є більш доцільним, оскільки це спрощує конструкцію верстата, зменшує його металоємність, розширює сфери застосування каркасу як уніфікованої бази для монтажу різних модульних комплектів з метою вирішення широкого спектру технологічних завдань в залежності від комплектації.

6. Доведено, що вплив відцентрових сил в гвинтових цангах, які мають закритий замкнутий силовий контур, залежить від кроку гвинтової лінії, причому зі збільшенням кроку жорсткість зростає за степеневим законом. Запропоновано спосіб і виведені аналітичні залежності для компенсації відцентрових сил в гвинтовій цанзі.

7. Встановлено, що радіальні биття в гвинтових цангах на 30%-50% менше ніж у традиційних і мають тенденцію подальшого зменшення із збільшенням кроку гвинтової лінії.

8. Вперше встановлено, що жорсткість верстата каркасної компоновки у вигляді піраміди без МПС в 2,82 разів більша ніж з МПС (при тих самих перерізах стержнів каркасу та граничних силових умовах) та в 2,46 рази більша за жорсткість верстата традиційної компоновки при зменшенні металоємності в конструкції 5,2 рази.

9. Виконаний структурно-схемний синтез ІЗП з використанням системно-морфологічного підходу, завдяки якому було запропоновано ряд принципово нових конструкцій, що захищені патентами України на винаходи та корисні моделі.

10. Розроблені рекомендації щодо проектування РО для верстатів нового покоління, побудованих на модульному принципі. Запропоновані конструкції шарнірних з'єднань та спосіб усунення в них люфтів (Заявка на корисну модель №u201110316 від 23.08.2011). Було оцінено та запропоновані рекомендації щодо областей використання даного технічного рішення, а саме для систем тривимірного сканування та контролю об'єктів, в якості верстатів об'ємної лазерної та плазмової різки, багатоцільових фрезерних верстатів деревообробної промисловості, для промислових роботів. Рекомендовано використовувати в РОзРП розроблений в ході виконання дисертаційної роботи шпиндельний вузол верстату (Заявка на корисну модель №u201105576 від 04.05.2011), та ІЗП з пружними затискними кільцями, що мають фасонний отвір (Патент України № 43532) або ІЗП з гофроцангою (Патент України № 88207)

11. Результати роботи впроваджені у виробництво на ТОВ «ТехноСвіт - України» (м. Київ) та ПП «Баранов», а також передані для використання холдінговій компанії «Мікрон» (м. Одеса). В результаті впровадження результатів дисертаційної роботи у виробництво було оцінено можливе зниження собівартості при виготовленні СФВПК-4 в порівнянні з традиційним верстатом з такими самими функціональними можливостями та технічними характеристиками. Встановлено, що різниця в собівартості сягає 35-и разів. Орієнтовна собівартість виготовлення СФВПК-4 становить 128356 грн.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Кузнєцов Ю. М. Експериментальні дослідження високошвидкісного інструментального затискного патрону з пружним елементом затиску / Ю. М. Кузнєцов, В. Б. Фіранський, О.В. Грисюк, В.Н. Волошин // Вісник ХНТУСГ. - 2008. - №45. С. 294-299. (Автором було виготовлено дослідні зразки інструментального затискного патрону з пружним елементом затиску, проведені їх комплексні експериментальні дослідження, та сформульовані висновки щодо подальших досліджень)

2. Кузнєцов Ю.М. Пирамидальные каркасные компоновки станков с паралельной кинематикой на модульном принципе / Ю. М. Кузнєцов, Г. Е. Деневич, Д. О. Дмитрієв, В. Б. Фіранський // Надійність інструменту та оптимізація технологічних систем. Збірник праць. - Краматорськ. - 2009. - №24. - С.126-132. (Автором були запропоновані варіанти модулів механізмів паралельної кінематики)

3. Кузнєцов Ю. М. Пружно-силові характеристики цангових інструментальних затискних патронів нової конструкції / Ю. М. Кузнєцов, В. Б. Фіранський, О. В. Грисюк // Наукові нотатки ЛНТУ. - 2009. - №24. - С.537-545. (Здобувачем було здійснено побудова просторової моделі та здійснено теоретичні дослідження гвинтового затискного елементу за допомогою методу скінчених елементів)

4. Кузнєцов Ю. М. Каркасні компоновки свердлильно-фрезерних верстатів з механізмами паралельної структури / Ю. М. Кузнєцов, Д. О. Дмитрієв, В. Б. Фіранський // Технологічні комплекси, 2010, №1, С.10-16. (Здобувачем було представлено просторову модель ІЗС верстата каркасної компоновки на основі чотиригранної піраміди, та здійснено розрахунки переміщень з допомогою методу скінченних елементів)

5. Фіранський В.Б. Пружно-напружений стан інструментальних затискних патронів нової конструкції / В. Б. Фіранський // Вісник НТУУ «КПІ». - 2010. - №59. - С.19-23. (Здобувачем було продовжено дослідження пружно-силових характеристик ІЗП, та запропоновані нові конструкції гвинтового затискного елемента)

6. Пат. 30467 Україна МПК (2006) B23B 31/10 Затискний патрон / Кузнєцов Ю.М., Кузнєцов Д.О., Грисюк О.В., Фіранський В.Б.; власник НТУУ «КПІ». - №u200712676; заявл.15.11.2007; опубл.25.02.2008, Бюл. №4. (Здобувачем було запропоновано місце розміщення напрямних скалок та їх форма)

7. Пат. 34302 Україна МПК (2006) B23B 31/20, B23B 31/02 Затискний патрон / Кузнєцов Ю.М., Фіранський В.Б.; власник НТУУ «КПІ». - №u200801985; заявл.18.02.2008; опубл.11.08.2008, Бюл. №15. (Здобувачем було запропоновано використання сепаратора та направляючої канавки для кульок трикутної форми)

8. Пат. 42235 Україна МПК (2006) B23B 31/20, B23B 31/02 Гідромеханічний затискний патрон / Кузнєцов Ю.М., Хилько А.О., Фіранський В.Б.; власник НТУУ «КПІ». - №u200901014; заявл.09.02.2009; опубл.25.06.2009, Бюл. №12. (Здобувачем було запропоновано гофрований затискний елемент який виконано у вигляді гвинтових канавок)

9. Пат. 43532 Україна МПК (2006) B23B 31/20, B23B 31/02 Інструментальний затискний патрон / Кузнєцов Ю.М., Хилько А.О., Фіранський В.Б., Журибеда С.П.; власник НТУУ «КПІ». - №u200901517; заявл.23.02.2009; опубл.25.08.2009, Бюл. №16. (Здобувачем були запропоновані форма полігональних отворів, місце розташування затискних кілець та дистанційної втулки)

10. Пат. 88207 Україна МПК (2006) B23B 31/20 Цанговий патрон / Кузнєцов Ю.М., Фіранський В.Б., Грисюк О.В.; власник НТУУ «КПІ». - №u200714702; заявл.25.12.2007; опубл.25.09.2009, Бюл. №18. (Здобувачем було запропоновано місце встановлення регулюючих гвинтів)

11. Кузнєцов Ю. М. Модульний принцип пірамідальних компоновок з паралельною кінематикою/ Ю. М. Кузнєцов, Д. О. Дмитрієв, В. Б. Фіранський В. Б. // Moduіowe technologie i konstrukcje w budowie maszyn - MTK '09. - Rzeszуw 2009.- №261; Mechanika z.76, Р. 23-30. (Здобувачем були запропоновані варіанти модулів шпиндельних вузлів та каркас чотиригранної піраміди)

12. Фіранський В.Б. Пружно-силові характеристики цангових інструментальних затискних патронів нової конструкції / В. Б. Фіранський, О. В. Грисюк, Ю. М. Кузнєцов // Машинобудування очима молодих: прогресивні ідеї - наука - виробництво: збірник праць 8-ї всеукраїнської наук.- техн. конф., 29-31 жовтня 2008 р.: тези доповідей. - Луцьк: ЛНТУ, 2008. - С.27-28. (Здобувачем було здійснено побудова просторової моделі та здійснено теоретичні дослідження гвинтового затискного елементу за допомогою методу скінчених елементів)

13. Фіранський В.Б. Проектування інструментальної системи верстата каркасної компоновки / В. Б. Фіранський // Теорія та практика раціонального проектування, виготовлення і експлуатації машинобудівних конструкцій, 11-13 листопада 2010р.: Праці конференції. - Львів: КІНПАТРІ ЛТД. - 2010. - С.169-170. (Здобувачем показана загальна методика попереднього проектного розрахунку РОзРП верстата пірамідальної каркасної компоновки з МПС СФВПК-4)

14. Недобой В.А. Дослідження стержневої системи верстата з МПС / В.А. Недобой, О.В. Шевчук, Ю.М. Кузнєцов, В.Б. Фіранський // Машино-будування: Конструювання верстатів та машин: загальноуніверситетська наук.-техн. конф. молодих вчених та студентів, квітень 2011 р.: тези доповідей. - К., НТУУ «КПІ», ММІ. - С.61-62. (Здобувачем спроектовано і виготовлено дослідний зразок штанги постійної довжини та запропонована методика його досліджень)

Размещено на Allbest.ru

...