Синтез машинних лещат з покращеними пружно-силовими характеристиками для металорізальних верстатів

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Синтез машинних лещат з покращеними пружно-силовими характеристиками для металорізальних верстатів

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук

Загальна характеристика роботи

Актуальність роботи. Сучасний стан машинобудування в Україні потребує уважного ставлення до випуску технологічного оснащення метало-і деревообробного обладнання.

Створення прогресивного технологічного оснащення дозволяє підвищити техніко-економічні показники і розширити технологічні можливості обладнання в умовах механоскладального виробництва.

Широке розповсюдження на металорізальних верстатах мають затискні пристрої для затиску призматичних заготовок на свердлильних, фрезерних, багатоопераційних, деревообробних та інших верстатах. Серед них не останнє місце займають машинні лещата різних конструкцій, які в основному мають постійну структуру і один кінематичний ланцюг від двигуна (або ручного привода) до затискних елементів-губок. Наявність одного кінематичного ланцюга знижує коефіцієнт корисної дії і потребує додаткових витрат енергії (при механізованому приводі) або мускульної роботи робочого (при ручному приводі).

Використання машинних лещат в верстатах з ЧПК, зокрема, фрезерних і багатоцільових, вимагає стабільності сили затиску при попутному, зустрічному і контурному фрезеруванні, що стримується недосконалістю виконання конструкцій, які при традиційному виконанні рухомої (з боку приводу затиску) і нерухомої губок мають суттєво різну жорсткість.

Таким чином, розробка нових малоенергомістких затискних пристроїв у вигляді машинних лещат з однаковою жорсткістю з боку двох губок і перемінною структурою, яка має два і більше кінематичних ланцюгів, дає можливість підвищити їх технічні показники, конкурентоздатність і більш повно використовувати потенціал машинобудування в Україні при взаємозамінності деталей, багатофункціональності, широко універсальні і широкодіапазонні.

Але процес створення і проектування такого оснащення вимагає нових методологічних підходів, прогресивних методів структурно-схемного синтезу та ефективних математичних моделей і алгоритмів з використанням ЕОМ.

Враховуючи той факт, що затискні пристрої і, зокрема, лещата для затиску призматичних деталей на верстатах, користуються широким попитом на внутрішньому і зовнішньому ринках, а деякі з них використовуються для побутових потреб (наприклад, слюсарні лещата), необхідні додаткові теоретичні і експериментальні дослідження, що визначає актуальність роботи в цьому напрямку.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дослідження, які виконані в межах дисертації, безпосередньо пов'язані з держбюджетною тематикою кафедри «Металорізальні верстати та системи» КНТУ, тема №46Б103 «Розробка високоефективних приводів перемінної структури агрегатно-модульного верстатного обладнання» (реєстраційний №0103U003115), кафедри «Конструювання верстатів та машин» НТУУ «КПІ», тема №2988Ф «Створення вузлів і механізмів для надшвидкісної і прецизійної обробки на верстатах нового покоління з паралельною кінематикою» (реєстраційний №0106U007223), тема за власною ініціативою «Цільові механізми і оснащення верстатів нового покоління для надшвидкісної і прецизійної обробки» (реєстраційний №0106Г002645).

Мета і задачі дослідження. Стабілізація і підвищення пружно-силових

характеристик затискних пристроїв типу машинних лещат при мінімальних витратах енергоресурсів на основі удосконалення існуючих, синтезу нових прогресивних конструкцій і їх теоретичного та експериментального дослідження, розробки методики проектування і розрахунку.

Для досягнення поставленої мети необхідно було розв'язати такі задачі:

- провести патентно-інформаційні дослідження і сформулювати основні вимоги до сучасного технологічного оснащення для затиску призматичних заготовок;

- провести дослідження впливу факторів на основні характеристики (силові, жорсткості, енергетичні) машинних лещат з однією і двома кінематичними ланцюгами;

- розробити математичну модель працездатності машинних лещат з різними кінематичними ланцюгами при затиску і в процесі різання;

- провести експериментальні дослідження машинних лещат різних конструкцій;

– розробити принципи створення машинних лещат з використанням системно-морфологічного підходу і функціонально-вартісного аналізу;

- синтезувати на рівні винаходів і корисних моделей нові машинні лещата;

- розробити рекомендації по проектуванню, розрахунку, виготовленню і експлуатації машинних лещат нових конструкцій та запропонований проект ТУ на гаму машинних лещат нової конструкції для їх спеціалізованого виробництва в Україні.

Об'єкт досліджень. Процес затиску і пружно-силові характеристики машинних лещат з одною і двома кінематичними ланцюгами при обробці призматичних деталей на фрезерних і багатоцільових верстатах з ЧПК.

Предмет дослідження. Машинні лещата (МЛ) з рухомою і нерухомою губками для затиску призматичних заготовок при обробці призматичних деталей.

Методи досліджень. Теоретичні дослідження проводилися на основі сучасних теорій синтезу і методів системного підходу, методів математичного моделювання, обчислювального експерименту на ЕОМ, теорії машин і механізмів, динаміки верстатів, а також теорії контактної пружності.

Експериментальні дослідження проводилися з використанням спеціально розробленого технологічного оснащення (навантажувальних пристроїв і динамометрів) в лабораторних і виробничих умовах. Обробка результатів експериментів виконувалася з використанням методів математичної статистики. Розходження теоретичних і експериментальних результатів не перевищували 5 - 15%.

Наукова новизна одержаних результатів:

- вперше теоретично доведено і експериментально підтверджено, що нерівномірність жорсткості з боку нерухомої і рухомої затискних губок машинних лещат впливає на сумарну силу затиску заготовки, зменшуючи її при дії сили різання на рухому губку і збільшуючи на нерухому, тільки при рівній жорсткості з боку обох губок сила затиску незалежно від напрямку дії сил різання не змінюється;

- розроблені математичні моделі пружно-напруженого стану системи «лещата-заготовка» і виведені аналітичні залежності сумарної сили затиску від величини і напрямку сили різання, нерівномірності жорсткостей з боку губок, співвідношення

Практична цінність роботи полягає в:

– використанні морфологічного аналізу для досягнення високого ККД і рівномірності жорсткості: запропоновані морфологічні таблиці і матриці для синтезу машинних лещат (МЛ) постійної і змінної структури з різними приводами і передавально-підсилюючими механізмами, які дозволили запропонувати нові технічні рішення на рівні винаходів і корисних моделей.

– розробці методики проектування МЛ з покращеними пружно-силовими характеристиками завдяки забезпеченню рівномірної жорсткості з боку рухомої і нерухомої губок, введенню додаткових кінематичних ланцюгів з підсилюванням сили затиску;

– розробці рекомендацій по розрахунку, виготовленню і сертифікації МЛ;

– розробці ТУ і рекомендацій для спеціалізованого виробництва МЛ з покращеними пружно-силовими характеристиками.

Результати роботи передані для впровадження на Київське ВО ім. С.П. Корольова «Меридіан» (м. Київ), ТОВ «Мікротех» (м. Харків).

Матеріали досліджень впроваджені в учбовий процес при викладанні дисциплін «Основи технічної творчості»; «Верстатні пристосування»; «Агрегатно - модульне технологічне обладнання»; «Цільові механізми верстатів - автоматів та верстатів з ЧПК».

Апробація результатів дисертації. Результати роботи доповідалися на наступних конференціях: міжнародних науково-технічних UNIТЕСН '05 (2005 р.), UNIТЕСН '06 (2006 р.) (м. Габрово, Болгарія), VII міжнародній конференції «Прогресивна техніка і технологія-2006» (м.м. Київ-Севастополь)_, VII науково-технічній конференції АС ПГП «Промислова гідравлика і пневматика», 2006 (м. Вінниця), міжнародній науково-практичній конференції «Достижения науки в реализацию национального проекта «Развитие АПК, 2006» (м. Куртамиш, Росія).

Публікації. По матеріалах дисертації опубліковано 10 наукових праць, серед них 4 в фахових виданнях по спеціальності і отримано 3 патенти України на винаходи, корисні моделі.

Структура і обсяг роботи. Дисертація складається з вступу, п'яти розділів, основних висновків, списку літератури і додатків. Обсяг тексту складає 208 сторінок машинописного тексту, 68 рисунків, 16 таблиць і списку літератури із 175 джерел.

Основний зміст роботи

машинний лещатка металорізальний верстат

У вступі сформульовані: актуальність, мета, об'єкт і предмет досліджень. Для досягнення поставленої мети перелічені завдання, які треба розв'язати. Сформульовані наукова новизна і практична цінність роботи.

У першому розділі сформульовані основні вимоги до сучасного технологічного оснащення з його класифікацією по наступним ознакам: ступінь спеціалізації, механізації і автоматизації; призначення; джерела енергії; метод компонування. Окремо дана класифікація лещат за ознаками: конструктивні особливості; вид механізму затиску; можливість зміни положення і переналадки; кількість кінематичних ланцюгів; тип привода. Серед основних характеристик МЛ обрані: сумарна радіальна сила затиску T; коефіцієнт підсилення К_П = Т / Р (- вхідна від сила ручного або механізованого приводу затиску); ККД (миттєвий і цикловий); жорсткість підсистем «затискний елемент-заготовка» з боку губок МЛ.

Проведені патентно-інформаційні дослідження затискних пристроїв і лещат для призматичних заготовок, які показали їх велику різноманітність, а також затискних пристроїв з кількома кінематичними ланцюгами для заготовок різної форми і ріжучих інструментів з циліндричним хвостовиком, в яких використані однакові принципи затиску для забезпечення необхідних пружно-силових характеристик.

Питанням дослідження і проектування затискних пристроїв різного призначення присвятили багато відомих вчених і спеціалістів різних країн, серед яких роботи А.А. Вачева, А.М. Дальского, Г.С.Івасишина, В.Б.Ільїцького, В.С. Корсакова, Ю.М. Кузнєцова, Й.Т. Максимова, В.В. Микитянського, М.Л. Орликова, А.І. Турпаєва, Г.А. Шаумяна та інші.

У другому розділі дається всебічний аналіз впливу різних факторів на працездатність конструкцій МЛ. Згідно запропонованої моделі (рис. 1) при затиску заготовки (деталі) двома губками сумарна сила затиску складає:

T = T₁ + T₂, (1)

де T₁ = C_{1 01} і T₂ = C_{2 02} - сила затиску відповідно рухомою і нерухомою губками;

C₁і C₂ - жорсткість підсистем відповідно «рухома губка-деталь» і «нерухома губка-деталь»;

₀₁ і ₀₂ - пружні натяги підсистем відповідно «рухома губка-деталь» і «нерухома губка-деталь».

Оскільки після затиску силовий контур замикається і система «лещата-деталь» знаходиться в рівновазі, то T1 = T2 = T, а формула (1) приймає вигляд

T = C_{1 01} + C_{2 02} = 2T. (2)

При C₁ = C₂ пружні переміщення з боку двох затискних губок будуть однаковими, тобто₀₁ = ₀₂. Якщо з боку приводу затиску, тобто рухомої губки, в балансі пружних переміщень крім контактних зближень рухомої губки з деталлю, є інші переміщення (наприклад, розтиск гвинта, контактні зближення пари гвинт-гайка, інші переміщення), то в існуючих конструкціях лещат жорсткість С₂ з боку нерухомої губки, де присутні тільки нелінійні контактні зближення (пунктирна крива на рис. 1, б), завжди більше, тобто С₂ > С₁.

Співвідношення С₁ > С₂ можна представити через коефіцієнт нерівномірності жорсткості:

_С = С₂ / С₁. (3)

При дії сил різання і умові С1 С2 виникають різні пружні віджаття відповідно 1 = Р / С1 і 2 = Р / С2, а тому і різні умови обробки, що детально розглянуто на спрощених варіантах №1 і №2, коли сила Р діє посередині губки, не викликає перекосу деталі і відсутні сили тертя.

Для варіанта №1 при дії сили +Р на рухому губку натяг в підсистемі «рухома губка-деталь» збільшується до ₀₁ + ₁, а сила затиску від Т₁ до Т₁^І (рис. 2, б). В той же час натяг в підсистемі «нерухома губка-деталь» зменшується до ₀₁ - _1, а сила від Т₂ до Т₂^І. При постійних жорсткостях (лінійних залежностях = f(C)) складові сил затиску будуть: Т₁^І = Т₁ + P; Т₂^І = Т₂ - C₂₂ = Т₂ - _CP, а сумарна сила затиску:

Т^І = Т₁^I+ Т₂ = 2T - P (_C - 1). (4)

З формули (4) видно, що при _C = 1 (C₁ = C₂) сумарна сила затиску Т^І = Т = 2T, тобто не змінюється, а при _C > 1 (C₁ > C₂) зменшується і при певних умовах дорівнює нулю, а саме при умові

. (5)

Для варіанта №2 при дії сили - Р на нерухому губку натяг в підсистемі «нерухома губка-деталь» збільшується до ₀₂ + ₂, а сила від T₂ до T₂^II = T + P.

При цьому натяг з боку рухомої губки зменшуються до ₀₁ + ₂, а сила Т₁ до

Т₁^ІI = Т₁ + C₁₂ = Т - P / _C.

Сумарно сила затиску стане:

Т^ІI = 2T + P (1 - 1 / _C), (6)

(10)

Можливий випадок, коли сила не змінюється, а саме при умові або коли

(11)

Для всіх восьми варіантів схем навантаження (табл. 2) виведені формули сумарної сили затиску в лещатах при різанні представлені в табл. 3 і узагальненою (універсальною) залежністю (10):

, (12)

де при навантаженні силою Р рухомої губки знаки при Р, , вибираються відповідно «- «; «+»; «- «; а степені m = n = +1; при навантаженні нерухомої губки знаки будуть протилежні - відповідно «+»; «- «; «+»; а степені m = -1, n = 0.

Третій розділ присвячений використанню системно-морфологічного підходу для синтезу МЛ з покращеними пружно-силовими характеристиками (з кількома кінематичними ланцюгами і рівномірною жорсткістю). Виходячи з принципу дії МЛ процес затиску заготовки в ньому має два етапи: 1. Вибірка зазору (попередній затиск). 2. Натяг системи (остаточний затиск). Ці два етапи можуть бути суміщені (для випадків одного кінематичного ланцюга і послідовної дії сил від приводу до затискних елементів) і розділені (для двох і більше кінематичних ланцюгів (КЛ) і паралельної або паралельно-послідовної дії сил). З врахуванням цього структурні схеми МЛ також поділяються на суміщені і розділені.

Розгляд структурних схем доцільно виконувати за допомогою аналізу кінематичних ланцюгів МЛ. Таких ланцюгів може бути один (КЛ1), два (КЛ1, КЛ2) і більше (КЛ1, КЛ2, КЛ3,…) і з'єднуватися вони можуть послідовно, паралельно або послідовно-паралельно. Розглянемо морфологічну таблицю побудови кінематичних ланцюгів МЛ (табл. 4)

В чисельному вигляді табл. 4 може бути представлена як морфологічна мат-риця структур МЛ

(13)

Таблиця 4. Морфологічна матриця кінематичних ланцюгів МЛ

Загальна кількість варіантів структур МЛ (можливих і неможливих) складає

,

де - кількість альтернатив (варіантів): i - тої ознаки; n - кількість ознак, які характеризують МЛ, як технічну систему. В даному випадку N_стр=23334=216.

Слід відмітити, що кінематичні пари, які входять в один кінематичний ланцюг, можуть одночасно належати й іншому (другому) кінематичному ланцюгу, тобто кінематичні ланцюги можуть перемикатися і вже два кінематичних ланцюги можуть мати паралельно-послідовний характер (тип) з'єднання. Один кінематичний ланцюг може включати в себе окремі ланки другого ланцюга або ж повністю включати в себе другий кінематичний ланцюг. Для синтезу схем (в т.ч. конструктивних), крім структур, треба додати зв'язки і побудувати морфологічну таблицю схем МЛ, яка в розгорнутому вигляді представляє морфологічну матрицю.

, (14)

де - матриця структур (конструктивних елементів);

(15)

- матриця зв'язків між елементами

(16)

Загальна кількість структур N_стр=253888=15360, зв'язків N_зв=1492992, а схем N_сх=2293235712023 трн, серед астрономічної кількості яких є багато нових рішень.

Для синтезу конструкцій МЛ з рівномірною жорсткістю з боку рухомої і нерухомої губок () запропонована морфологічна таблиця (табл. 6) і відповідна їй матриця:

, (17)

що дає варіантів

У четвертому розділі для підтвердження теоретичних досліджень були проведені експериментальні дослідження силових і жорсткістних характеристик МЛ виробництва Барановічського заводу верстато-пристосувань (Білорусь) типу МТВ 140 (УП-616-2) згідно розробленої методики (рис. 6). Динамометр 3 і динамометрична рукоятка 4 були протарировані для визначення сумарної сили затиску Т_?=2Т по індикатору ИТ, сили, що імітує силу різання Р, по індикатору И_Р і моменту ручного затиску М_р по індикатору ИМ.

Експерименти виконувалися на універсально-фрезерному верстаті мод. 675 і фрезерному верстаті мод 612. По результатах заміру силових характеристик (рис. 6, а, рис. 7, а) при послідовному ступінчастому ручному затиску моментом М_р=10260Нм (через 5-10 Hм) побудований графік залежності сумарної радіальної сили затиску Т_? від моменту М_р для сухих (рис. 7. б, крива 1) і змащених (рис. 4. б, крива 2) рухомих поверхонь гвинтової пари і напрямних рухомої частини МЛ.

Згідно видно, що залежність від М_р нелінійна: спочатку коефіцієнт підсилення лещат вище, а при підвищенні натягу системи, тобто питомих тисків в рухомому контакті гвинтової пари, завдяки збільшенню коефіцієнта тертя коефіцієнт К_П зменшується. Використання змащення марки ЦИАТИМ-201 суттєво приблизно в 1,5 рази) підвищує коефіцієнт підсилення К_П, а відповідно і ККД лещат.

Для дослідження впливу різних факторів на жорсткість системи «лещата-деталь» імітація складової сили різання Р здійснювалася за допомогою навантажувального пристрою 6 (рис. 6. б) при навантаженні на рухому губку 1 і навантажувального пристрою 7 (рис. 6. в), розташованого на шпинделі 8 або безпосередньо від шпинделя через динамометр 3 (повздовжньою подачею стола фрезерного верстата) при навантаженні на нерухому губку 2. Заміри віджать виконувалися за допомогою індикаторів И₁ ч И₃ (показання деформацій y₁ ч y₃₎, розміщених на різних вильотах Н₁ і Н_2.

Сила Р змінювалася послідовно від 0 до 10 кН (навантаження) і від 10 кН до 0 (розвантаження) через 2 кН (показання індикатора И_Р). Віджаття замірялися для різних моментів ручного затиску М_р (показання індикатора И_М).

Таблиця 5. Сумарні сили затиску деталі в МЛ при різних схемах навантаження

Результати замірів віджать підтвердили різну жорсткість системи «лещата-деталь» при навантаженні на рухому (віджаття ) і нерухому (віджаття ) губки. Чим більше сила затиску (або момент М_р), тим вище жорсткість.

При зміні вильоту Н коефіцієнт нерівномірності жорсткості змінюється. Чим більше виліт, тим менше коефіцієнт . Наприклад, для Нм, мм коефіцієнт , а для мм . При меншій силі затиску тенденція зміни на різних вильотах залишається такою же. Наприклад, для Нм, мм коефіцієнт , а для мм . Додатково були проведені експериментальні дослідження на інших машинних лещатах з використанням методики багатофакторного експерименту з подальшою обробкою результатів по спеціальній програмі «Планування, регресія і аналіз моделей», розробленій на кафедрі технології машинобудування НТУУ «КПІ». В результаті одержані моделі:

віджаття убік рухомої губки

= 2829,44-1783,61x₁+956,667x₂+657,222z₁-641,25x₁x₂+

+575,833x₁x₃-410,556x₃-281,667x₂x₃-287,897z₁z₃+262,5z₁x₂+

+312,321x₁x₂x₃+320,119z₁x₂x₃,

віджаття убік нерухомої губки

= 3759,88 - 2595,37x₁ + 974,537x₂ + 943,21z₁ - 884,656x₃-

- 826,389x₁x₂ + 721,032x₁x₃+ 428,704z₁x₂,

де x₁ = 0,02 (X₁ - 55); z₁ = 1,5 (- 0,666667);

x₂ = 0,02 (X₂ - 100); z₂ = 1,5 (- 0,666667);

x₃ = 0,4 (X₃ - 3,5); z₃ = 1,875 (- 0,466667);

u₃ = 3,72024 (- 0,808x₃);

v₃ = 7,59549 (- 1,08571+ 0,1296);

X1(H) - виліт навантаження силою Р, яка імітує силу різання, мм;