Повышение точности шпиндельных узлов на основе обеспечения изотропных упругих характеристик опор тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Якимов Михаил Владимирович

• Якимов Михаил Владимирович
• кандидат наук
• 2021

Оглавление диссертации кандидат наук Якимов Михаил Владимирович

ВВЕДЕНИЕ

1. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ШПИНДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ И ИЗГОТОВЛЕНИИ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЯ

1.1. Точностные характеристики шпиндельных узлов

1.1.1. Геометрическая точность шпиндельного узла

1.1.2. Точность шпиндельного узла при действии силовых факторов

1.2. Упругие характеристики опор шпиндельных узлов

1.2.1. Влияние конструкции корпуса шпиндельного узла на упругие

характеристики опор

1.2.2. Влияние качества изготовления, сборки, условий эксплуатации шпиндельного узла на упругие характеристики опор

1.3. Моделирование шпиндельных узлов

1.3.1. Моделирование роторных систем

1.3.2. Модели шпиндельных узлов на опорах качения

1.4. Цель и задачи исследования

2. АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ ТОЧНОСТИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И СБОРКИ ЭЛЕМЕНТОВ ОПОРЫ КАЧЕНИЯ НА ЕЕ УПРУГИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

2.1. Влияние точности изготовления посадочных поверхностей подшипниковой опоры на ее упругие характеристики

2.2. Определение упругих характеристик подшипниковой опоры с неидеальными элементами на основе плоской конечно-элементной модели

2.3. Выводы

3. РАЗРАБОТКА ЧИСЛЕННОЙ МОДЕЛИ ОПОРЫ С УЧЕТОМ АНИЗОТРОПИИ УПРУГИХ СВОЙСТВ

3.1. Моделирование контактных взаимодействий в посадочных сопряжениях подшипника

3.2. Определение приведенных модулей упругости для учета контактных взаимодействий в опоре ШУ

3.3. Разработка секторной конечно-элементной модели опоры качения

3.4. Выводы

4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ СИЛОВЫХ И ТЕМПЕРАТУРНЫХ ФАКТОРОВ НА ПОГРЕШНОСТИ ФОРМЫ ОТВЕРСТИЙ В КОРПУСЕ ПОД ПОДШИПНИКИ ПРИ РАБОТЕ СТАНКА НА ХОЛОСТОМ ХОДУ

2

4.1. Анизотропия жесткости отверстия в корпусе шпиндельной бабки металлорежущего станка от действия центробежной силы

4.2. Моделирование изменения формы отверстия в корпусе под переднюю опору вследствие действия температуры

4.3. Способ компенсации упругих тепловых деформаций подшипников шпинделей металлообрабатывающих станков

4.4. Выводы

5. ВЛИЯНИЕ АНИЗОТРОПИИ ПОДАТЛИВОСТИ ОПОР ШПИНДЕЛЯ НА ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ШПИНДЕЛЬНОГО УЗЛА

5.1. Динамическая модель изгибных колебаний шпинделя на анизотропных опорах

5.2. Определение параметров динамической модели

5.3. Модальный анализ шпиндельного узла на упругих опорах

5.4. Выводы

6. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ АНИЗОТРОПИИ УПРУГИХ ХАРАКТЕРИСТИК ОПОР ШПИНДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ. ВЛИЯНИЕ ТЕМПЕРАТУРНОГО ФАКТОРА НА АНИЗОТРОПИЮ ЖЕСТКОСТИ ОПОРЫ ШПИНДЕЛЬНОГО УЗЛА

6.1. Описание экспериментальной установки и методика исследований анизотропии упругих характеристик опор шпиндельного узла

6.2. Анализ результатов эксперимента по исследованию анизотропии упругих характеристик опор шпиндельного узла

6.3. Методика проведения эксперимента по исследованию влияния температуры на анизотропию упругих характеристик опор шпиндельного узла

6.4. Анализ результатов эксперимента по исследованию влияния температуры на анизотропию упругих характеристик передней опоры шпиндельного узла

6.5. Влияние анизотропии жесткости на точность шпиндельного узла

6.6. Выводы

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

ПРИЛОЖЕНИЕ А

ПРИЛОЖЕНИЕ Б

ПРИЛОЖЕНИЕ В

ПРИЛОЖЕНИЕ Г

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение точности шпиндельных узлов на основе обеспечения изотропных упругих характеристик опор»

ВВЕДЕНИЕ

Точность станка зависит от ряда факторов, связанных с основными формообразующими подсистемами. Одной из важнейших подсистем является шпиндельный узел (ШУ). Тенденция постоянного повышения точности металлорежущего оборудования просматривается на всем протяжении формирования современных станочных конструкций. Однако, в последние годы, требование высоких точностных характеристик все чаще дополняется обеспечением их стабильности не только во времени, но и в пространстве. Последнее обстоятельство особенно важно для станков с ЧПУ, когда направление силовых факторов в зоне обработки может меняться в широких пределах, в связи с совершенствованием конструкций инструментальных систем и разнообразием компоновок. Кроме того, поскольку современные станки с ЧПУ предназначены в первую очередь для прецизионной обработки, то с ростом скоростных характеристик станков возрастают требования к характеристикам станочных подсистем на холостом ходу, когда внутренние силы становятся соизмеримыми с силами резания.

Жесткостные характеристики шпиндельного узла металлорежущего станка являются часто решающим фактором, определяющим его точность.

На долю шпиндельного узла (ШУ) приходится от 50 до 80% погрешностей в общем балансе точности станка. ШУ, в первую очередь воспринимая эксплуатационные нагрузки и подвергаясь действию процессов различной скорости, должен обеспечивать заданные выходные параметры точности и сохранение их во времени.

Общим и частным вопросам проектирования, исследования и эксплуатации ШУ с различными типами опор и разработке моделей узлов посвящены труды Н.С. Ачеркана, З.М. Левиной, А.С. Проникова, В.Э. Пуша, А.В. Пуша, Д.Н. Решетова, Ю.Н. Соколова, А.М. Фигатнера, С.С. Кедрова, В.А. Кудинова, З.М. Левиной, П.М. Чернянского, B.C. Хомякова, Н.А. Кочинева, Ф.С. Сабирова, И.А. Зверева, С.Е Бондаря, В.А. Лизогуба и других отечественных и зарубежных ученых. В трудах указанных исследователей были сформулированы основные требования к шпиндельным узлам, а также было отмечено, что точность вращения шпинделей является важнейшей характеристикой шпиндельного узла, в значительной мере, определяющей точность обработки деталей на станке.

Точность шпиндельного узла определяется геометрической точностью изготовления и сборки элементов конструкции и точностью вращения под действием силовых факторов.

Геометрическая точность шпиндельных узлов определяется двумя показателями: радиальным и осевым биениями, и при проектировании может быть определена согласно рекомендациям, полученным на основе опытных данных, расчетом

на основе теории размерных цепей, и расчетом, использующим геометрические зависимости.

Точность вращения шпинделя под действием силовых факторов зависит от природы возникновения нагрузки. К внутренним силовым факторам относится центробежная сила, возникающая вследствие наличия дисбаланса тела шпинделя и конструктивных элементов, установленных на нем.

Под действием центробежной силы центр шпинделя движется во время вращения по траектории, зависящей от двух взаимосвязанных характеристик: геометрической точности элементов конструкции и упругих характеристик опор, которые, как было установлено рядом исследователей, имеют ярко выраженную анизотропию жесткости, то есть ее непостоянство при различных направлениях действия силы.

В этом случае траектория движения центра шпинделя существенно отличается от окружности, характерной для ШУ с изотропной жесткостью (не зависящей от направления действия силы) опор, и принимает характер эллипса, который, в предельном случае, может приобрести форму прямой. Таким образом, наличие анизотропии жесткости ШУ вносит дополнительные погрешности в точность ШУ.

Определение податливости конструкций, в состав которых входят вращающиеся валы на подшипниках качения, представляет значительные трудности, связанные с оценкой упругих деформаций опор. Особенности работы подшипников качения, к которым относится переменное количество зон контакта, воспринимающих нагрузку, смещение их относительно неподвижного кольца, перераспределение давления в зонах контакта и т.д., заставляет широко используются теоретико-эмпирические зависимости, позволяющие достаточно точно определять лишь усредненные значения жесткостных характеристик.

Повышение требований к точности металлорежущих станков вызывает необходимость принимать во внимание обеспечение стабильности жесткостных характеристик в пространстве и при изменении температуры, связанной с эксплуатацией оборудования.

Однако, отсутствие достаточных результатов в изучении формирования анизотропии опор не дает возможности разрабатывать модели ШУ с учетом этого фактора и вырабатывать мероприятия по снижению его влияния на точностные характеристики шпиндельного узла.

Таким образом, задача по разработке обоснованных методик прогнозируемого обеспечения изотропных упругих характеристик шпиндельных узлов является актуальной.

Целью диссертационной работы является повышение точности шпиндельного узла путем снижения анизотропии жесткостных характеристик опор на этапе проектирования и сборки.

Для этого были сформулированы и решены следующие задачи:

1. Анализ влияния точности изготовления и сборки элементов опоры качения на ее упругие характеристики.

2. Разработка упруго-деформационной конечно-элементной модели опоры шпиндельного узла с неидеальными элементами, позволяющей оценить влияние точности изготовления посадочных поверхностей подшипниковой опоры качения на упругие характеристики и возможную анизотропию упругих деформаций.

3. Разработка и создание устройства для контроля анизотропии упругих характеристик в производственных условиях.

4. Экспериментальное исследование анизотропии податливости опор.

5. Экспериментальное исследование влияния температуры на характер анизотропии податливости опор.

6. Определение влияния силовых факторов на погрешности формы отверстий в корпусе под подшипники при работе станка на холостом ходу.

7. Определение влияния температурных факторов на погрешности формы отверстий в корпусе под подшипники при работе станка на холостом ходу.

8. Влияние анизотропии податливости опор шпинделя на динамические ха-трактористки шпиндельного узла.

Научная новизна работы заключается в:

- раскрытии закономерностей формирования анизотропии жесткостных характеристик опор шпиндельных узлов и получении регрессионной зависимости упругих перемещений опоры на основе проведения полных факторных экспериментов;

- разработке математической модели изгибных колебаний шпинделя на опорах с произвольно ориентированными анизотропными упругими характеристиками;

- анализе влияния температурного фактора на характер анизотропии податливости опор;

- в раскрытии закономерностей влияния жесткости опор, элементов конструкции ШУ и частоты вращения шпинделя на собственные частоты и формы колебаний.

Практическая значимость работы заключается в:

- обоснованных рекомендациях по снижению анизотропии жесткостных характеристик опор шпиндельных узлов;

- разработке конструкции устройства для измерения анизотропии упругих характеристик передней опоры шпиндельного узла токарного станка в производственных условиях и методики проведения исследований и обработки результатов;

- разработке нового способа компенсации упругих тепловых деформаций подшипников шпинделей металлообрабатывающих станков и устройства, его реализующего.

Достижение цели и решение поставленных в работе задач обеспечены применением современных методов исследований, базирующихся на основных положениях теории проектирования ШУ и технологии машиностроения, теории математического моделирования с использованием численно-аналитических методов и методов математической статистики.

Экспериментальные исследования проводились на современных металлорежущих станках с использованием аттестованных измерительных средств и c применением методов численного компьютерного моделирования в среде ANSYS.

Положения, выносимые на защиту:

1. Структурно-параметрическая модель, расчетная схема и результаты численного моделирования упругих характеристик опоры шпиндельного узла с неидеальными элементами.

2. Математическая модель и аналитические зависимости изгибных колебаний шпинделя на опорах с произвольно ориентированными анизотропными упругими характеристиками.

3. Результаты экспериментальных исследований формирования анизотропных упругих характеристик шпиндельных опор.

4. Конструкция устройства для контроля анизотропии упругих характеристик шпиндельных узлов токарных станков в производственных условиях.

5. Новый способ компенсации упругих тепловых деформаций подшипников шпинделей металлообрабатывающих станков и устройство, его реализующее.

6. Закономерности влияния на собственные частоты и формы колебаний шпинделя упругих характеристик опор, конструктивных и скоростных факторов ШУ.

Достоверность изложенных в работе результатов обеспечивается: обоснованным изучением достаточного объема научной литературы, корректностью поставленной задачи, корректным использованием применяемого математического аппарата и вводимых допущений и гипотез и подтверждается согласованностью теоретических выводов и данных моделирования с результатами их экспериментальной проверки.

Новизна технических решений подтверждается патентом на изобретение.

Основные положения и результаты работы доложены и обсуждены на научно-технических конференциях, а именно: международной научно-практической конференции «Фундаментальные проблемы и современные технологии в машиностроении», (г. Москва, 2010), Всероссийской научно-технической конференции «Высо-

кие технологии в машиностроении» (г. Самара, 2010, 2016, 2017). III Всероссийской конференшш молодых ученых н специалистов «Будущее машиностроения России» (г. Москва, 2010), международной научно-практической конференшш «Проблемы п пер с пектпвьг развития двпгаге л естроешш» (г. Самара, 2016), Всероссийской научно-практической конференции «Инновационные технологии в металлообработке» (г. Ульяновск, 2017),V международной заочной научно-практпче-ской конференшш «Современные проблемы теории машпн» (г. Новокузнецк, 2017), Международная научно-техническая конференция «Пром-Инжиииринг» (г. Москва, 2018), Международная научно-техническая конференция «Пром-Ннжинп-рпнг» (г. Сочи, 2021).

В полном объеме диссертация докчадывалась на заседании кафедры «Технология манпшостроешм, станкп п инструменты» федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Самарский государственный технический университет».

Результаты диссертационной работы апробированы п ир1шяты к внедрению в вше методик учета влияния погрешностей изготовления и сборки на упругие де-формашш шпиндельного узла на предпрпяпшх: ООО «Инженерный центр «Сред-неволжского станкозавода» (г. Самара), ООО Научно-производственное объединение «РОСПНМАШ» (Приложение Б), а также пспользованы при подготовке бакалавров по направлению «Конструкторско-технолошческое обеспечение машиностроительных производств» в ФГБОУ ВО Сам!ТУ (Приложение Г).

1. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ ШПИНДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ И ИЗГОТОВЛЕНИИ. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ

ИССЛЕДОВАНИЯ

Погрешность обработанных деталей, на металлорежущих станках, является результатом воздействия на процесс обработки многочисленных факторов, которые зависят от состояния и взаимодействия всех элементов технологической системы (станка, инструмента, приспособления, заготовки и оператора) и внешней среды. В конкретных производственных условиях и при определенных технологических операциях влияние одних факторов на точность обработки может быть более, а в других менее весомым. Каждый фактор вызывает образование характерных элементарных погрешностей.

Точность обработки детали зависит от следующих первичных погрешностей: технологических; инструментальных; погрешностей оборудования (рис. 1.1).

Рис. 1.1. Погрешности, влияющие на точность обработки

На долю шпиндельного узла (ШУ) приходится от 50 до 80% погрешностей в общем балансе точности станка. ШУ, в первую очередь воспринимая эксплуатационные нагрузки и подвергаясь действию процессов различной скорости должен обеспечивать заданные выходные параметры точности и сохранение их во времени.

Точность обработки в значительной мере зависит от точности вращения шпинделя, которая определяется взаимодействием погрешностей подшипников и сопряженных деталей шпиндельного узла. При этом происходит не арифметиче-

ское суммирование погрешностей отдельных деталей, а их сложное взаимодействие, так что результирующая погрешность может быть меньше не только суммы погрешностей, но и наибольшего слагаемого. Снижение точности вращения шпинделя, нагруженного силой резания, может быть следствием неправильного выбора посадки подшипников шпинделя, например, слишком свободной посадки наружного кольца в корпус шпиндельной бабки. При переменной по направлению нагрузке, при установке инструмента в шпинделе станка, возможно появление дополнительных смещений шпинделя, существенно влияющих на точность формы обрабатываемых деталей.

1.1. Точностные характеристики шпиндельных узлов

Шпиндель, являющийся конечным звеном привода главного движения и предназначенный для крепления инструмента или заготовки, оказывает существенное влияние на точность, производительность и надежность всего станка. На шпиндель действуют нагрузки, вызываемые силами резания, силами в приводе (ременном, зубчатом), а также центробежными силами, возникающими от неуравновешенности вращающихся деталей самого шпиндельного узла, приспособления и заготовки.

Общим и частным вопросам проектирования, исследования и эксплуатации ШУ с различными типами опор и разработке моделей узлов посвящены труды Н.С. Ачеркана, З.М. Левиной, А.С. Проникова, В.Э. Пуша, А.В. Пуша, Д.Н. Решетова, Ю.Н. Соколова, А.М. Фигатнера, С.С. Кедрова, В.А. Кудинова, З.М. Левиной, П.М. Чернянского, B.C. Хомякова, Н.А. Кочинева, Ф.С. Сабирова, И.А. Зверева, С.Е Бондаря, В.А. Лизогуба и других отечественных и зарубежных ученых [50]. В трудах указанных исследователей были сформулированы основные требования к шпиндельным узлам, а также было отмечено, что точность вращения шпинделей является важнейшей характеристикой шпиндельного узла, в значительной мере, определяющей точность обработки деталей на станке. Она зависит от точности изготовления и сборки подшипников и сопряженных с подшипниками деталей ШУ, от регулировки подшипников и от частоты вращения шпинделя.

Точность шпиндельного узла определяется геометрической точностью изготовления и сборки элементов конструкции и точностью вращения под действием силовых факторов.

1.1.1. Геометрическая точность шпиндельного узла

Геометрические погрешности шпиндельных узлов, которые зависят от точности изготовления деталей и сборки, при отсутствии силовых факторов являются постоянными величинами и влияют на точность обработки путем искажения форм и относительного расположения поверхностей детали, поэтому они должны быть учтены при назначении способа обработки [25].

Квазистатическая точность вращения шпинделей регламентируется стандартами на отдельные типы станков. Точность шпиндельных узлов определяют двумя показателями: радиальным и осевым биениями, а также смещением оси вращения, называемым погрешностью вращения [53, 65]. Первый показатель характеризует эксцентриситет рабочих и посадочных поверхностей подшипников и шпинделя, второй - процесс упругого их взаимодействия. Исследования [53, 65] показали, что радиальное биение определяется удвоенной амплитудой биения на частоте вращения шпинделя, а погрешность - удвоенным квадратным корнем из суммы квадратов амплитуд всех частотных (спектральных) составляющих биения шпинделя, отличных от частоты вращения шпинделя.

Таким образом, радиальное биение является результатом совместного проявления отклонения от круглости профиля рассматриваемого сечения и отклонения его центра относительно базовой оси. Оно не включает в себя отклонения формы и расположения образующей поверхности вращения [14].

Экспериментальные исследования [64] показали, что при низких частотах вращения шпинделя отклонение от круглости близко к величине биения оси шпинделя, при максимальных частотах разница между отклонением от круглости изделий и биением шпинделя увеличивается. Это объясняется тем, что точность обработки будет определяться точностью вращения шпинделя (биением оси в зоне обработки), связанным с точностью изготовления подшипников и сопряженных с подшипниками деталей шпиндельного узла, от качества монтажа, от регулировки подшипников (величины зазора-натяга) и упругими деформациями опор, определяемыми действием дисбаланса шпинделя и заготовки и жесткостью опор и изменяющимися с изменением частоты вращения шпинделя, при котором обрабатываются детали.

Радиальное биение шпинделя можно определить согласно рекомендациям, полученным на основе опытных данных, расчетом на основе теории размерных цепей, расчетом, использующим геометрические зависимости.

Так, например, опыт станкостроения показал что, например, для токарно-винторезных станков класса точности П и максимального диаметра обработки до 400 мм биение переднего конца шпинделя составляет [б] = 6 мкм [53].

Методами, принятыми при анализе размерных цепей, в работе [53] была получена зависимость, определяющая радиальное биение переднего конца шпинделя в зависимости от конструкции опор, биений подшипников в опорах, лежащих в одной плоскости, и геометрических размеров шпинделя:

где Л± - радиальное биение подшипников передней опоры; Д2- радиальное

биение подшипников задней опоры в мм; к = I - расстояние между порами

шпинделя в мм; а - расстояние от передней опоры шпинделя до плоскости измерения в мм; т± - число подшипников в передней опоре; т2 - число подшипников в задней опоре.

Данная зависимость позволяет приемами взаимной ориентации эксцентриситетов колец подшипников [56] достигнуть заметного уменьшения биения шпинделя в случае равнонаправленной схемы размещения биений опор [53].

В работе [11] представлен следующий подход использования теории размерных цепей. На рис. 1.2. представлена расчетная схема для определения радиального биения центрирующей поверхности шпинделя под патрон, характерная для токарных станков класса точности П. Данная схема подразумевает установку в передней и задней опорах подшипников четвёртого и пятого классов точности, соответственно.

Рис. 1.2. Расчетная схема определения биения шпиндельного узла

Обозначая звенья размерной цепи е1 - смещение оси центрирующей шейки шпинделя относительно оси, проходящей через центры его подшипниковых шеек; е2 - несовпадение центров дорожки качения и отверстия внутреннего кольца подшипника задней опоры; е3 - несовпадение центров дорожки качения и отверстия

внутреннего кольца подшипника передней опоры получим следующее уравнение размерной цепи :

ед = ре1 + ре2 + рзез>

где е15 е2, е3 - половина биения 1,2,3 элементов размерной цепи; р2, £3- передаточные отношения соответствующих элементов.

Для указанных исходных данных (рис. 1.2), передаточные отношения составят:

£ — 1 • Р — ik • £ — l + l2

Ь1 _ 1 s Ь2~ j ■> Ьз ~ I ■>

j2 j2 При допускаемых отклонениях на звенья е1 — 0,002 мм, е2 — 0,005 мм - для

задней опоры с установленным подшипником пятого класса точности, е3 — 0,004 мм - для передней опоры с подшипником четвертого класса точности отклонение замыкающего звена (половина допустимого биения центрирующей шейки шпинделя под патрон) при расчете методом max - min составит: ед « 0,005мм.

При расчете вероятностным методом несовпадения центров дорожки качения и отверстия внутреннего кольца подшипника суммируются путем приведения к векторному виду в плоскости замыкающего звена через передаточные отношения. Предварительно рассчитывается коэффициент рассеяния размеров:

/ 1 0,55

n о n

v? (* )2-J?

(1.2)

1

где - приведенный коэффициент относительного рассеяния присоединительных

поверхностей ьго элемента размерной цепи.

Отклонение замыкающего звена (половина биения центрирующей шейки шпинделя под патрон), найдено вероятностным методом по формуле:

1

ед —

) (1.3)

1

Для конструкции, указанной на рис., когда в передней опоре установлен подшипник 4 класса, а в задней - 5 класса точности: кА = 1,39, тогда отклонение замыкающего звена составит: еА = 0,0036 мм.

Для оценки точности шпиндельных узлов многих станков можно использовать характеристики точности траектории движения его фиксированных (опорных) точек [49] Для шпинделя опорные точки следует располагать на его установочных базах (рис. 1.3), определяющих положение приспособления с заготовкой или инструмента [51].

Рис. 1.3. Опорные точки шпинделя для конической установочной базы (а) и плоской (в) и

траектории опорных точек (б, г)

Для шпиндельных узлов вращения изделия радиальное биение оси вращения приводит к появлению отклонения от круглости обрабатываемой детали; радиальное биение отверстия шпинделя вызывает радиальное биение оси детали, сходящее к нулю у задней бабки; радиальное биение центрирующего буртика патрона приводит к биению оси заготовки относительно поверхности зажима; осевое биение шпинделя является причиной осевого биения и отклонение от плоскостности торцовой поверхности детали; торцовое биение центрирующего буртика приводит к отклонению от перпендикулярности оси обработанной поверхности к опорной поверхности.^].

Вопросом исследования влияния биения оси вращения шпинделя на точность обработки в ЭНИМСе занимались многие исследователи (Фигатнер А.М, Гладков Б.А., Юхвид М.Е., Ларионова В.М.). В этих работах исследовались токарные станки, имеющие различные значения радиального биения оси вращения шпинделя. Обрабатывались латунные образцы при наиболее оптимальных режимах резания и геометрии инструмента. Установлено, что при низких частотах вращения шпинделя (п=500 об/мин) отклонение от круглости близко к величине биения оси шпинделя, при максимальных частотах (п=2000 об/мин) разница между отклонением от круглости изделий и биением шпинделя увеличивается. Соотношение между этими величинами с повышением частоты вращения шпинделя изменяется по-разному у различных станков, что объясняется неодинаковой интенсивностью динамического воздействия привода и различием в динамическом качестве шпиндельных узлов [9].

1.1.2. Точность шпиндельного узла при действии силовых факторов

Точность вращения шпинделя под действием силовых факторов зависит от природы возникновения нагрузки. К внутренним силовым факторам относится центробежная сила, возникающая вследствие наличия дисбаланса тела шпинделя и конструктивных элементов, установленных на нем.

Внешним силовым фактором, действующим на шпиндель, является сила резания и сила от приводного элемента. Направление действия силы от приводного элемента и силы резания может быть неизменным, как например в токарных станках, или менять свой вектор - расточные, фрезерные станки.

Таким образом, при наличии силовых факторов точность ШУ будет определяться его жесткостью. Деформация шпиндельных узлов в общем балансе упругих перемещений станков доходит до 50%, а в некоторых конструкциях - до 85% [53].

Если принимать во внимание только внутренние силовые факторы, то шпиндель, имеющий дисбаланс создает во время вращения центробежную силу, зависящую от частоты вращения (рис. 1.4).

/ Р=и-г-со2

Рис. 1.4. Формирование центробежной силы роторной системы при наличии дисбаланса

Шпиндель, имеющий дисбаланс, приводит к возникновению колебаний. Его центр движется во время вращения по траектории, именуемой кинетической траекторией. В случае подшипников, имеющих изотропную жесткость (жесткость, не зависящую от направления действия силы), кинетическая траектория, вызванная дисбалансом, является окружностью. Но реальные конструкции опор качения имеют анизотропные характеристики жесткости, то есть, они имеют разную податливость по направлениям. Поэтому кинетическая траектория шпинделя принимает характер эллипса, который, в крайнем случае, может приобрести форму прямой (рис. 1.5).

а) б) в)

Рис. 1.5. Вызванная дисбалансом кинетическая траектория шпинделя с изотропными (а) и анизотропными (б, в) опорами: W - центра вала или центр вращения ротора.

Величина, форма и положение кинетической траектории шпинделя изменяется в зависимости от скорости вращения и зависит от анизотропности упругих характеристик опор. Максимальные значения координат кинетической траектории возникают при критической скорости вращения шпинделя. Внешние силовые факторы оказывают существенное влияние на форму кинетической траектории шпинделя, приводя к ее искажению в направлении действия силы резания.

Таким образом, можно сделать вывод, что точность вращения шпинделя зависит от двух взаимосвязанных характеристик, это геометрическая точность элементов конструкции и анизотропность упругих характеристик опор. Упругие характеристики опор удобно представлять в виде годографа. Годограф строится в полярной системе координат и представляет собой кривую, соединяющие концы векторов упругих перемещений, отложенных из общего центра по разным направлениям. Анизотропность упругих характеристик опор проявляется в том, что форма годографа упругих перемещений отлична от окружности.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Якимов Михаил Владимирович, 2021 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Адлер, Ю, П, Б ведение в планирование экспериментов: учебное пособие. / Ю. П. Адлер,—M.: MHCIIC, 2014. —36с,,

2. Бальмонт. Е.Б, Влияние частоты вращения на упруго деформационные свойства шпиндельных шарикоподшипников. / В.Б. Бальмонт, II.Г. Горелик, А.М. Левин // СТ1Ш, - 1986. - №7. - С. 15-17.

3. Бальмонт, В.Б. Расчеты высокоскоростных шпиндельных узлов. В.Б. Бальмонт, И.Г. Горелик, А.М. Фпгатнер - НШГГЭМР, Серия 1, 1987. Выпуск 1, -50 с.

4. Баспнюк, В,Л. Расчет динамических характеристик и многокритериальный выбор параметров шпиндельных узлов. . В.Л. Баспнюк, A.B. Кулешова // Мехашжа машин, механизмов и материалов. - 2011. - №4. - С. 49-53.

5. Бате, К, Ю. Методы конечных элементов. / К,Ю. Бате. - М.: Физмат лит, 2010. — 1024 с.,

6. Бензельман, Р.Д. Подшипники качения: Справочник. - б-е изд., пспр^и доп. / Р. Д. Бензельман, Б.В. Цыпкпн, Л.Я. Перель - М,: Маппшостроенпе, 1975. - 574 с.

7. Бойко, ILA. Разработка математической модели и модальный анализ пшнндельного узла высокоскоростного обрабатывающего центра. / H.A. Бойко // Вестник ГГТУ им. П.О. Сухого. - №4. - 2016. - С. 13-20.

8. Большаков, В,11. Основы метода конечных элементов. / В,II. Большаков, Е.А. Яценко, Г. Соссу, М. Лемэр, Ж.М. Рейну ар, Ж. Кестенс, Г, Варзее, II. Кормо — Днепропетровск: ПГАСА, 2000. —255 с.

9. Бондарь, С.Е. Шпиндельные узлы прецизионных станков. / С.Е. Бондарь, U.C. Верпшпс -М.: НШ1МАШ, 1975,-36 с,

10. Брэндляйн, 31. Характеристики станочных шпинделей, смонтированных на опорах качения. Пер. с нем, / II. Брэндляйн -М.: В.Ц.П,, № СР-84112, 1985. - 37 с.

11. Вангеев, А Н, Исследование влияние класса точности подшипников шпиндельного узла на геометрическую точность станка. / А.Н. Вантеев, В.А. Кабанов, П.Г. Павловскш:, Д,В, Кочетков // В сборнике: Пнновагпш технических решенш: в ма-шпностроенпг: и транспорте. Сборник статей VI Всероссийской научно-технпче-ской конференции для молодых ученых п студентов с международным участием. Под общей редакцией В. В. С ал мина. - 2020. - С. 17-20

12. Васильков, Д. В. Электромеханпческпе приводы металлообрабатывающих станков. Расчет п конструирование. Учебник. / Д.В. Васильков, В. Л, Вейц, А, Г. Схпртладзе, - СПб.: Политехника, 2010.-759с.

13. Галахов, М,А. Расчет пошшшшжовых узлов. / М,А. Галахов, А.Н. Бурмистров -М.: Машиностроение, 1988, - 272 с.

14. Гжпров, P.II. Кратюш справочник конструктора. / P.II. Гжпров - Ленинград: Машиностроение, Ленинградское отделение, 1984. - 320 с,

15. Голованов, А. Н. Планирование эксперимента: учебное пособие / А. Н. Голованов. — Томск: ТГУ, 2011. — 76 с,

16. Горелик, П.Г. Разработка методов расчета и повышение качества высокоскоростных шпиндельных узлов: дпсс, ... канд. техн. наук/П.Г. Горелик; ЭШ1МС -М., 1987, - 141 с.

17. Григорьев, Ю. Д. Методы оптимального планирования эксперимента: линейные модели: учебное пособие. / Ю, Д. Григорьев. — Санкт-Петербург: Лань, 2015. — 320 с.

18. Денисенко, А.Ф, Расчет и конструирование шпиндельных узлов на подшипниках качения: Учеб, пособ. / А.Ф. Денисенко, М.В. Якимов. - Самара: Самар. госуд. техн. ун-т, 2017. - 101 с.

19. Денисенко, А.Ф. Пзгпбные колебания шпинделя металлорежущего станка с учетом анизотропной упругости опор / А.Ф, Денисенко, М.В. Якимов // Известия Волгоградского государственного технического университета. - 2017. - С. 32-34.

20. Денисенко, А.Ф. Определение собственных изгибных частот шпинделя металлорежущего станка с учетом анизотропной упругости опор / А.Ф, Денисенко, М.В. Якимов // Вестник СамГТУ: Технические науки. №1.-2015. - С. 159-167.

21. Дерус, П.С. Проблемы производства высокоточных шпиндельных узлов металл орежущпх станков / П.С. Дерус. - М.: ШП1МАШ, 1967. - 45 с.

22. Дпментберг, Ф.М. Пзгпбные колебания вращающихся валов / Ф.М, Дпмент-берг. -М.: Издательство Академии наук СССР, 1959. - 240 с.

23. Додонов, В.В. Факторы, определяющие точность токарного станка с ЧПУ В.В. Додонов, Ю.В. Никулин // Известия вузов. Машиностроение. - №7 - 2006.-С. 1420.

24. Еременко, С,Ю. Методы конечных элементов в мехашже деформируемых тел / С.Ю. Еременко - Харьков: Изд-во «Основа» при Харьк, ун-те, 1991. - 272 с,

25. Жуков, Э.Л. Технология машиностроения: В 2 кн. Кн. 1. Основы технологии машиностроения: Учеб. пособ. для вузов / ЭЛ. Жуков. II.II. Козарь, С.Л, Мураш-кпн и др.; Под ред. С.Л. Мурашкпна. -М.: Высш. шк., 2003. - 278 с,

26. Журбпн, О,В, Анализ инженерных конструкций методом конечных элементов. Учебное пособие. ! О.В. Журбин, С.Д. Чпжпумов. — Комсомольск-на-Амуре: КнАГТУ, 2004, — 157 с.

27. Загрящдаш, В.II. Торцовые асинхронные электродвигатели п совмещенные электромеханические агрегаты. /В.И. Загрядгшш, Е.Т. Кобяков, Ю.С. Степанов. -М.: Машиностроение - 1, 2003. - 287 с.

28. Загрядикпи, В,II. К определению собственных частот и форм колебаний жесткого двухопорного ротора. / В.II. Загрядцкпп, Е.Т. Кобяков, Ю.С. Степанов, Д.А. НОЕ1ЖОВ // Вестшж Машпностроения. - 2007. - №3. - С. 23-28.

29. Зверев, II.A. Комплексное моделирование прп проектировании шпиндельных узлов на опорах каления. / И А. Зверев, Ю.М. Дальнпченко, - Вкнпк СевНТУ. Сер1я: Манпшопрпладобудування та транспорт. - 2014. - Впп. 150. - С. 75-80.

30. Зверев, II.A. Многокритериальное проектирование шпиндельных узлов на опорах качения: дпсс, .., доктора техн. наук. / IIA, Зверев, ЭННМС. - М., 1997, 210 с.

31. Зенкевич, 0,С. Метод конечных элементов в технике Перевод с ангшшского. О.С. Зенкевич, —М.: Мпр, 1975. — 543 с,

32. Каминская, В .В. Станины п корпусные детали металлорежущих станков (Расчет п конструирование), / В, В. Каминская, 3. М. Левина, Д. Н, Решетов, - М,: Машгпз, 1960. - 187 с.

33. Кедров, С.С. Колебания металлорежущих станков, / С.С. Кедров, - М,: Машиностроение, 1978. - 199 с.

34. Кельзон, A.C. Расчет и конструирование роторных машин. /A.C. Кельзон, Ю.Н. Журавлев, Н.В. Январев. - Л., Машиностроение (Ленинград, отд-нпе), 1977. - 320

35. Ковалев, М.П. Расчет высокоточных шар1жоподшнпнпков. / М.П. Ковалев, М.З. Народецкпп -М.: Машиностроение, 1975-280с.

36. Колебания в системе шпиндель-подшипники у металлорежущих станков. Экспресс-информация ВИНИТИ, - М, - №46. - 1989. - 20 с.

37. Кудпнов, В.А. Методика пепыташш токарных станков средних размеров общего назначения на виброустойчивость / В,А, Кудпнов, Т.С. Воробьева, C.II. Ру-бпнчпк, - М., ЭННМС, 1961. - 35 с.

38. Кусяков, А.Ш. Технология решення задач модального анализа в системе ANSYS / А.Ш, Кусяков // Проблемы механики и управления: Нелинейные динамические системы, - 200S, - № 40. - С, 46-52.

39. Левина, З.М. Исследование и расчет упругих перемещений в местах посадок подшипников качения / З.М, Левина, Л.Б. Котляренко // Станки н инструмента. -№11.- 1971, - С. 24-26.

40. Леонтьев, М.К, Нелинейные модели подшппнпков качения в роторной динамике/М.К. Леонтьев, E.II. Снеткова//Вестнтж МАИ,-2012, - Т. 19. - №2. - С. 13441. Леонтьев, М.К. Динамика ротора в подшипниках качения М,К. Леонтьев, В. А. Кар ас ев, О.Ю. Потапова, CA, Дегтярев /,Вибрация машпн: измерение, снижение, защита. - 2006. ISSN 1816-1219. - №4(7). - С. 4-45.

42. Лпзогуб, В.А. Деформация дорожек качения подшппшжов при монтаже шпиндельных узлов станков / В.А. Лпзогуб, А.М, Ф1патнер // Станки и инструмент, -1970. - №9. -С. 28-30.

43. Маслов, Г.С. Расчеты колебаний валов. Справочное пособие. / Г.С. Маслов, -М.: Машиностроение, 196S, - 240 с.

44. Моисеев, Н. Г. Теория планирования п обработки эксперимента: учебное пособие / Н, Г. Моисеев, Ю. Б. Захаров. —Йошкар-Ола: ПГТУ, 2018. — 124 с,

45. Пановко, Я,Г. Основы прикладной теории колебаний и удара. / Я,Г. Пановко. -Л.: Машиностроение (Ленинградское отделение), 1976. - 182 с,

46. Перель, Л.Я. Подшипники качения: Расчет, проектирование и обслуживание опор: Справочник. / Л. Я. Пер ель, -М.: Машиностроение, 1983,-543 с.

47. Подщеколдпн, M.II. Упругие колебания в подшипниковых узлах. ! M.II. Подщеколдпн, В .И. Голубовский — М.: Машиностроение, 1987. - 240 с.

48. Полякова, Н. С. Математическое моделирование и планирование эксперимента: учебное пособие / Н. С. Полякова, Г. С. Дерябина, X. Р, Федорчук. — Москва: МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2010. — 33 с.

49. Пронпков, A.C. Опенка качества п надежности металлорежущих станков по выходным параметрам точности / А,С. Пронпков // Станки и инструмент. - 1980. - №6. - С. 5-7.

50. Пуш, A.B. Шпиндельные узлы: Качество и надежность. / A.B. Пуш. - М.: Машиностроение, 1992. -288 с.

51. Пуш, А,В, Прогнозирование выходных характеристик узлов машин прп их проектировании А,В, Пуш // Машиноведение. - 1981. - №5, - С. 54-60.

52. Пуш, A.B. Прогнозирование тепловых смешений шпиндельных узлов. / A.B. Пуш // CTIIH - 1985. - №5, - С. 15-19.

53. Решегов, Д.Н. Детали и механизмы металлорежущих станков / под ред. Д.Н. Решегова, -М.: Машиностроение, 1972.-Т. 2.-520с,

54. Решетов, Д.Н. Точность металлорежущих станков. / Д.Н. Решетов, В Т. Порт-ман, - М,: Машпностроение, 1986. - 336 с.

55. Решетов, Д.Н. Расчет валов с учетом упругого взаимодействия пх с опорами. / Д.Н. Решетов. - М.: Машптз, 1939. - 75 с.

56. Рпвпн, Е.И. Системы впбропзоляшш с равночастотнымп опорами. /E.II Ривин // Известия вузов. Машиностроение. - 1966. - №3. - С. 10-14.

57. Сепхда, А,П. Расчет и исследование температурных полей и температурных деформаций металлорежущих станков: дне с. ... канд. техн. наук / А, П. Сешда, ЭНПМС-М., 1984, - 196 с.

58. Соколов, Ю.Н. Расчет температурных полей и температурных деформаций металлорежущих станков. / Ю.Н. Соколов. - М,: ЭШ1МС, 1958. - 83 с.

59. Тарг, С.М. Краткий курс теоретической механики / С,М. Тарг. - М.: Высшая школа, 1986. - 416 с.

60. Тимошенко, С.П. Колебания в инженерном деле. / С.П. Тимошенко. - М.: Наука, 1967. - 444 с.

61. Тондл, А. Динамика роторов турбогенераторов. / А. Тондл. - Л., Энергия, 1971. -250 с,

62. Трушин, CII. Метод конечных элементов. Теория и задачи: Учебное пособпе. / C.II. Трушин. -М.: Издательство АСВ, 2008. - 256 с.

63. Фпгатнер, A.M. Влияние посадок колец подшипников на работоспособность шпиндельных узлов, / A.M. Фпгатнер, В.А. Лизогуб // Станки п инструмент. - 1971. -Х°3. - С. 17-20.

64. Фпгатнер. А, М. Шпиндельные опоры качения высокоточных станков. / A.M. Фпгатнер. - М.: ЦИНТПАМ, 1964. - 75 с,

65. Фшатнер, A.M. Конструкции, расчет п методы проверки шшшдельных узлов с опорами качения: Методические указания. / A.M. Фпгатнер, Е.А. Фпскпн, С.Е. Бондарь. - М.: ЭНПМС, 1970. - 152 с.

66. Фшатнер, A.M. Расчет и конструирование шшшдельных узлов с подшипниками качения металлорежущих станков. / A.M. Фпгатнер. -М.: HHHMALLL 1971. -46 с.

67. Хомяков, B.C. Исследование динамических характеристик шпиндельных узлов / B.C. Хомяков, Н.А. Кочинев, Ф.С. Сабиров // Известия ТулГУ|: Технические науки. - 2011. - С. 15-21.

68. Шпрман, А.Р., Практическая впброднагностпка и мошпорпнг состояния меха-нпческого оборудовашм / А.Р, Шпрман, А.Б. Соловьев, - М., 1996. - 265 с.

69. Челомеп, В Н. Впбрашш в технике: Справочнпк. В 6-тн т. / Ред. В.Н. Челомеп (пред). - М.: Машиностроение, 1980 - Т.З. Колебания машин, конструкшш и их элементов / Под. ред, Ф.М. Диментберга пК.С. Колесшжова, 1980. - 544 с.

70. Юрин, В.Н. Повышение технологической надежности станков. / В,Н. Юрин. -М.: Машиностроение, 1981. - 78 с.

71. Demaily D., Throuverez F., Jezequel L. Unbalance response of rotor/stator systems with nonlinear bearings by the time finite element method. International journal of rotating machinery. 10(3): 155- 162. 2004.

72. Feng N.S., Hahn E.J., Randall R,B. Simulation of vibration signals from a rolling element bearings defect. University of New South Wales, Sydney, Australia. 2004.

73. Feng N.S., Hahn E, J. Rolling element bearing non-linearity effects. ASME Paper No. 2000-GT-391.2000,1

74. F.M, A. El-Saeidy. Finite element modeling of rotor shaft rolling element bearing system with consideration of bearing nonlinearities, J. Vib. Control, 4, pp.541-602. 1998.

75. Greenheel L.M. Modeling of rolling element-bearing mechanics. Contract NAS 838607. Monthly technical progress report. Sacramento, California. February 1991.

76. Gunther D. Влияние условий работы на жесткость шпиндельных опор «IndustrieAnzeiger», 1967, №6.

77. Harris ТА. Rolling bearing analysis. 5-th edition. A Wiley-Interscience publication. USA. November 2006.

78. Kellenberger W, Biegeschwinggungen einer unruenden rotierenden Welle in horizontalen Lage. Ingenieur Archiv, XXVI, 1968.

79. McFadden P.D., Smith ID. Model for he vibration produced by a single point defect in a rolling element bearing. Journal of sound and vibration, vol.96, 1984, pp, 69-82.

80. Poplawski IV., Rum barg er J.H., Peters S.M., Flower R., Galaitis H. Advanced Analysis Package for High Speed Multi-Bearing Shaft Systems: COB RA-AH S. Final Report, NASA Contract NAS3-00018, 2002.

81. Radivoje Mitrovic. Analysis of the influence of internal radial clearance on the static load rating of the rolling bearing. Facta Universitatis. Mechanical Engineering, Belgrad, Yugoslavia, Vol. 1, N 8, pp. 1039 - 1047. 2001.

82. Tiwari M., Gupta К,, Prakash Om. Non-linear dynamic analysis of a rigid rotor supported on deep groove ball bearing. Proceedings of the 7th International Symposium on transport phenomena and dynamics of rotating machinery. Bird Rock Publishing, pp. 960969.

83. Wensing J, A, On the dynamics of ball bearings. PhD thesis, University of Twente, Enschede, The Netherlands, December 1998.

84. Wiche| E. Радиальная жесткость подшипников качения для станков «Mech. Tool and Product Trends» Univ. Park, Pa. 1965.

Таблица А1

Упругие перемещения передней стенки корпуса шпиндельной бабки, первая схема нагружения

Угол вектора силы реакции опоры относительно вертикали Перемещения передней стенки по направлению действия центробежной нагрузки, в узлах конечных элементов, лежащих на поверхности расточки шпиндельной опоры, 10-10м

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

0 7,3 7,7 8,2 8,2 6,6 5,8 5,1 3,3 3 2,9 2,7 2,8 3,1 3,5 4,1 4,7 5,7 6,5 7 7,2

18 8,1 9,6 11,5 11,9 10,7 9,6 8,3 6,1 5,4 4,7 3,9 3,2 3 3 3,2 3,6 4,2 5,3 6,4 7,2

36 9,7 12,3 15,3 16,8 16,7 16,9 16,4 15 14,2 13,5 12,2 10,7 9,3 8,1 7,1 6,4 6,1 6,2 6,9 8,1

54 11,2 13 18,9 21,9 24,8 29,3 32,3 34,1 31,8 30,6 29,1 26,6 23,5 20,1 16,6 13,6 10,9 9,4 8,8 9,2

72 12,4 16,1 21,4 26,9 34,1 45,4 56,6 65,9 59,4 56,3 53,8 50,2 45,3 39,3 32,7 25,2 18,8 14,5 11,7 10,8

90 12,8 16,5 22,3 30,3 42,9 61,8 81,6 103,2 90,7 85,1 80 74,9 68,5 60,5 49,9 38,8 28 19,8 14,7 12,4

108 12,4 15,3 21,2 31,3 46,9 68,7 97,9 131,1 114,1 106,6 98,2 91,1 83,4 75 63,3 48,9 34 23 16 12,6

126 10,2 12,7 17,8 28,1 43,1 63 94,6 136,2 120 112,7 104 93,2 83,8 75,2 64,9 49,1 33,9 22 14,6 10,6

144 6,4 8,3 12,6 20,9 31,6 45,6 70,6 114,2 100,3 101,9 92,9 82,3 71,7 62,8 53,1 40,8 27,6 17,1 9,9 6,7

162 2,3 3,8 7,2 13 19 26,8 44,2 80,1 81,1 83,7 79,4 69,3 57 46,7 37,3 26,7 17,2 9,8 4,6 2,4

180 0 0,7 3 6,7 9,7 14,8 26,9 52,1 61,7 69 70,6 63,3 51,5 38,2 27 17,7 10,6 4,7 1,5 0,2

198 0,7 0,9 2,5 4,6 7,3 14,5 23,6 43,2 55,1 65,2 71,5 68,6 58 45 32,7 20,7 12,1 6,8 3,4 1,6

216 4,5 4,1 4,9 6,9 11,4 20,2 30,6 51,1 64,7 73 80,2 81,3 75,2 63,7 50,2 37,6 24,5 15,9 10 6,5

234 9,9 8,8 9,4 11,4 17,7 29,2 40,5 67 77,6 83,7 90,2 93,6 91,6 85,5 74,9 59,6 42,3 29,8 19,3 13,3

252 14,4 12,9 13,2 15,4 22,1 34,4 46,6 76,1 84,5 88,4 93,6 98 99,7 97,7 91,1 77,9 59 41,8 28,2 19,6

270 16,6 14,5 14,6 17 23 32,8 42 71,7 78,6 82 85,7 89,7 92,8 93,9 90,5 80,1 63 46,1 32 22,6

288 16,1 13,5 13,2 14,8 19,5 26,1 33,4 55 60,7 64,2 67,6 70,4 73,1 74,9 74 67,5 55,6 41,8 29,5 21,3

306 13,1 11 10,1 10,9 13,7 17,2 21,3 34,6 38 41,4 44 45,9 47,3 48,7 49,1 46,7 39,8 31,6 23,1 16,8

324 10 8,4 7,3 7,2 8,3 9,6 11,5 16,3 18,6 20,7 22,7 24 24,7 25,3 25,9 25,7 23,5 19,8 15,4 12,3

342 7,7 7,1 6,5 6,1 5,6 5,6 5,9 6,2 6,9 7,7 8,6 9,3 9,9 10,3 10,7 11,4 11,6 11 9,7 8,6

Упругие перемещения передней стенки корпуса шпиндельной бабки, вторая схема нагружения

Угол вектора силы реакции опоры относительно вертикали Перемещения передней стенки по направлению действия центробежной нагрузки, в узлах конечных элементов, лежащих на поверхности расточки шпиндельной опоры, 10-10м

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

0 21,4 22,4 23,9 22,8 19,7 16,4 15 8,7 7,8 7 6,4 6,4 7,2 8,4 9,8 11,9 15,5 18,3 20,5 21

18 23,8 28,6 33,9 34,7 30,9 27,3 24,2 17,2 14,9 12,6 9,8 7,8 7 7,1 7,9 9,3 11,3 15 18,1 21

36 27,7 35,6 44,9 49 48,1 48,4 46,3 42,2 39,5 37,1 32,9 28,4 24,5 21 18,6 17,2 16,9 17,5 19,6 23,1

54 31,9 42 54,8 63,6 71,9 83,9 92 95,9 88,4 84,9 80,2 73,2 64,7 54,9 45,3 36,2 30,4 26,3 24,6 26,4

72 35,2 47,6 61,7 76,9 99,2 131,6 164,4 186,1 165,2 157,4 150,5 140,7 126,3 108,4 89,3 70 52 40 32,7 30,6

90 36,7 46,8 62,8 86,7 123,5 178 240,4 296,7 256,7 240,4 226,2 211,7 192,7 167,8 141,9 109,5 77,5 55,5 41,1 35

108 34,1 40,9 54,9 81,3 126,8 190,9 276,9 391 341,6 322,8 301 279 256,3 231,6 197 150,9 106,4 70 46,9 36

126 29,1 35,8 51,5 80,9 122,8 183,8 267,6 397,8 347,4 325 297 267,1 240,7 214,5 182 140,2 98,1 63,2 40 30

144 18,5 24,4 36,7 61 92 136,5 208,3 337,6 308,8 297,6 273,9 237,3 208,8 180,8 151,9 114,2 80,1 47 28,6 19

162 6,7 11,2 20,8 38,5 56,4 78,8 132,4 237 239,8 247,7 236 204,5 168 134,5 107,1 77,7 51,6 26,9 12,8 67,5

180 0 2,6 9,7 20,6 29,7 43 81,8 153,8 180,6 206 210,8 190,2 151 112,7 80,4 50,2 28,6 13,7 4,2 0,2

198 2 2,7 7 14,1 23 39,9 68,8 125,6 165,1 195,1 211,3 203,5 173,2 132,4 95 58,5 35,8 19 9,9 4,2

216 13,1 11,7 14,2 20,2 31,9 56,5 87,6 152 187,4 212,5 234,2 237,5 216,4 186,7 148,7 104,8 70,6 46,1 28,1 18,5

234 28,7 25,2 26,7 32,2 48,5 81,2 114,2 194,5 222,5 239,6 260,2 270,6 266,2 247,8 218,3 175 126,2 85,9 56,7 38,5

252 41,3 37 37,7 43,5 61,9 95,4 127,6 217,8 241,3 252,2 267,2 280,8 287 282,6 265 223,8 173,6 122,1 82,9 55,2

270 47,7 41,7 41,6 46,7 64,4 93,7 121,7 205,2 223 232,5 243,7 256,3 266,8 271 262,4 232,5 184,9 136,7 90,3 63,8

288 45,9 38,8 37,3 41,9 54,6 73,2 94,2 155,7 170,6 180,5 190,9 199,4 207,8 213,9 213,3 195,2 158,7 121,1 84,6 60,7

306 38,2 31,6 28,3 30,7 36,8 47,1 59 93,8 105 113,6 122,4 128,4 133 137,7 139,7 132,8 114,6 90,5 65,5 48,4

324 29,2 24,1 20,9 20,4 22,7 26,2 31,2 44,3 49,8 56,4 61,6 65,4 67,5 69,6 71,8 71,6 66,2 56,5 44,6 35

342 22,6 20,8 19 17,6 16,1 15,6 16,3 15,9 17,8 20 22,2 24,1 25,5 26,8 28,2 30,7 32,1 31,2 28,2 25,2

Упругие перемещения передней стенки корпуса шпиндельной бабки, третья схема нагружения

Угол вектора силы реакции опоры относительно вертикали Перемещения передней стенки по оси действия нагрузки в точках, лежащих вблизи наружной поверхности расточки шпиндельной опоры, 10-10 м

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20

0 352,4 371,6 394,6 381,3 329,2 271,2 246,5 143,5 125,3 113,5 101,9 101,6 114,6 135,2 157,8 196 250,2 303,8 332,1 345,4

18 343,3 362,6 381,7 357,9 277,6 215,4 184 119,7 105,8 94,3 86,6 91,8 115 143,6 177,9 221,2 274 309,2 330,7 338

36 304,8 318,8 334,6 284,1 215 152,2 117,8 103,2 94,7 86,8 83,1 93,2 118,5 153,7 194,9 239 276,8 299,5 305,7 302,9

54 238,7 249,4 260 215,7 137,5 91,7 69,5 112,2 101,8 97,4 99,4 113,5 138 171 206,9 246 265,9 261,7 249,5 238,4

72 150,7 157,9 160,9 120,8 63,8 44,7 49,9 153,9 137,3 131,9 136 149,6 170,8 197,4 224,4 245,5 239 208,5 181,4 157,9

90 50,4 51,7 49,9 15,3 -12 3,5 47,5 218,9 188,9 178,4 180,6 190,7 204,7 221,6 236 233,7 197,7 144,7 92,5 65

108 -55,2 -63,2 -73,9 -97,1 -94,5 -52 22,9 279,1 242,9 231,8 228,7 230 233,5 240,6 239,8 213,5 143,9 64,9 -2,2 -35,3

126 -154 -166 -178 -188 -161 -106 -21,4 257 223 213 204 194 187 183 172 136 52 -34,5 -101 -137

144 -242 -254 -269 -271 -229 -176 -91,4 186 174 177 169 149 126 108 86,6 41,5 -38 -131 -192 -225

162 -305 -318 -335 -322 -273 -214 -141 88,8 107 128 132 107 72 34,2 -2,6 -58,4 -137 -218 -265 -293

180 -331 -344 -359 -338 -275 -212 -152 18 65,2 101 116 92,7 46,3 -12,6 -69,6 -135 -198 -268 -306 -321

198 -317 -329 -340 -302 -218 -145 -87,6 26,4 74,1 113 136 119 63,6 -3,4 -77 -152 -222 -277 -304 -311

216 -262 -273 -275 -232 -127 -44 19 87,8 133 163 184 173 123 62,2 -27,5 -118 -187 -230 -252 -257

234 -177 -182 -178 -118 -14,9 77,2 140 177 210 228 240 232 195 134 54 -37,5 -111 -149 -168 -175

252 -73 -74 -59,6 5,4 106 186 248 252 270 279 282 273 244 195 128 43,8 -13 -50 -65 -70,8

270 35 37,8 57,7 118 200 270 320 282 52 295 291 276 256 220 169 108 64,8 47 40,5 36,6

288 136 142 166 220 279 319 353 271 272 273 264 249 232 209 174 135 118 125 132 134

306 222 232 256 297 329 339 353 235 230 227 215 202 188 173 153 139 154 185 207 216

324 290 304 331 351 352 335 333 200 185 178 165 155 148 141 137 147 186 239 266 283

342 331 350 374 380 346 312 297 165 150 140 127 121 125 133 142 167 215 275 306 323

Общество с ограниченной ответственностью «Инженерный центр «Средневолжского станкозавода»

УТВЕРЖДАЮ Исполнительный директор

ООО «иц «свсз»

Бабич В.А.

2013 г.

О внедрении результатов диссертационной работы Якимова Михаила

Владимировича на тему:« Повышение точности шпиндельных узлов на основе обеспечения изотропных упругих характеристик опор»

Результаты диссертационной работы Якимова Михаила Владимировича использованы при проектировании и эксплуатации станков токарной группы.

Анализ упругих деформаций шпиндельного узла и разработанная методика учета влияния погрешностей изготовления и сборки опор, позволяют оценить величину отклонения оси шпинделя станка и спрогнозировать точность механической обработки. Для экспериментального определения жесткости шпиндельного узла в производственных условиях предложена конструкция устройства, позволяющего получить пространственную картину изменения податливости.

Приведенные рекомендации по допустимым погрешностям изготовления элементов шпиндельных опор позволяют обеспечить необходимую параметрическую надежность, а рекомендации по оценке анизотропии жесткости шпиндельного узла дают возможность выбрать рациональные периоды эксплуатации оборудования.

Ведущий инженер

Волков В.В.

Россия, 443036, г, Самара, ул. Набережная реки Самары, д. 1, тел.: [phone], факс [phone]

0

ОБЩЕСТВО С ОГРАНИЧЕННОЙ ОТВЕТСТВЕННОСТЬЮ

«Р О С И Н М А Ш»

НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ

УТВЕРЖДАЮ Генеральный директор QfeQ-НПО «Росмнмаш»

»ПО

Стариков Д.В.

2013 г.

О внедрении результатов диссертационной pa6oi ы Якимова Михаила Владимировича на тему: «Повышение точности шпицдельныхузлов на основе обеспечения изотропных упругих характеристик опор»

Результаты диссертационной работы Якимова Михаила Владимировича использованы при проектировании и эксплуатации станков токарной группы.

Разработанные конструкция установки и методика учета влияния погрешностей изготовления и сборки опор шпиндельного узла позволяют оценить величину отклонения оси шпинделя станка и спрогнозировать точность механической обработки.

Приведенные рекомендации по допустимым погрешностям изготовления элементов шпиндельных опор позволяют обеспечить необходимую параметрическую надежность, а рекомендации по оценке анизотропии жесткости шпиндельного узла дают возможность выбрать рациональные периоды эксплуатации оборудования.

Гл. инженер

Пивоваров А.С,

Россия. 443036. г. Самара, ул Набережная реки Самары, д. 1 Тел/факс: [phone]. e-mail: [e-mail]

УТВЕРЖДАЮ

ЛК'1

об использовании результатов науч н о- и с с л ед овате л ьс ко й работы н образовательной деятельности

Разработка Самарского государственного технического университета «Повышение точности шпиндельных узлов на основе обеспечения иютропных упругих характеристик опор», выполненная аспирантом кафедры «Технология машиностроения, станки и инструменты» Якимовым Михаилом Владимировичем принята для использования в учебном процессе подготовки бакалавров направления « Ко н стру кторс ко-технол огичес кое обеспечение машиностроительных производств», профиль «Металлообрабатывающие станки и комплексы» кафедра «Технология машиностроения, станки и инструменты» ФГБОУ ВО СамГТУ.

При подготовке лекционных курсов, практических и лабораторных занятий но дисциплинам «Расчет и конструирование станков и станочных комплексов», «Моделирование в технических системах» были использованы:

I Структурно-и ара метрическая и численная модели шпиндельного узла с немдеальиыми элементами;

колебаний шпинделя на опорах с произвольно ориентированными анизотропными упругими характеристиками;

1. Численные модели корпусов шпиндельных узлов станков с совмещенным и раздельным приводом.

2. Математическая модель и аналитические зависимости изгибных

С( >1 "ЛАСОВАНО

Зав. кафедрой ТМСИ, к.т.н,, доцент

1'.Г. Гришин