Влияние стыков на тепловое состояние станка тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Гиловой, Леонид Яковлевич

• Гиловой, Леонид Яковлевич
• кандидат технических наук
• 1998

Оглавление диссертации кандидат технических наук Гиловой, Леонид Яковлевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ИССЛЕДОВАНИЯ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ПОЛЕЙ И ТЕМПЕРАТУРНЫХ

ДЕФОРМАЦИЙ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ, СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ДЕЛИ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ.

1.1.Экспериментальные исследования температурных полей и температурных деформаций металлорежущих станков.

1.2.математическое моделирование ТП и ТД МС. и .Исследования тепловых характеристик стыков.

1.4. Микрогеометрия поверхностей, полученных механической обработкой.

1.5.исследования механических свойств стыков.

1.6. цель и задачи работы.

ГЛАВА 2.КОНТАКТ ПОВЕРХНОСТЕЙ. ПОЛУЧЕННЫХ МЕХАНИЧЕСКОЙ

ОБРАБОТКОЙ.

2.1 .Основные допущения, принятые при построении модели контакта двух поверхностей.

2.2. контакт шероховатых поверхностей без учёта волнистости. 38 2.2.1 .Математическое ожидание числа фактических контактов в шероховатом слое.

2.2.2. Математическое ожидание размера фактической площадки контакта.

2.2.3.упругие свойства шероховатого слоя.

2.3.контакт волнистых поверхностей покрытых шероховатым слоем.

2.4.контакт-выступов шероховатого слоя с учётом волнистости.

2.5. расчет параметров механического контакта поверхностей, выбор модели теплопроводаости стыка,

2.6. определение теплопроводности стыков. 62 2.6л .Теплопроводность дискретного контакта двух полупространств.

2.6.2.теплофизические свойства волнистого и шероховатого слоя, влияние геометрии контактирующих выступов на контактное сопротивление.

2.6.3. Ограниченность размеров контактирующих деталей.

2.6.4.теплопроводимость внутристыкового зазора. 75 2.6.5.экспериментальная проверка адекватности модели тепловых характеристик сопряженных поверхностей.

2.6.6.термосопротивление стыка через теплоизолирующие материалы.

2.6.7. Анализ тепловой проводимости стыков.

2.7.выводы.

ГЛАВА 3. АДАПТАЦИЯ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ К РАСЧЁТУ

КОНСТРУКЦИЙ. СОДЕРЖАЩИХ СТЫКИ. зд .Принцип учёта теплоброводймосш механических соединений в расчетной схеме метода конечных элементов.

3.2.Структура программного комплекса для расчётов температурных полей конструкций, содержащих стыки. з.з Апробация.

3.3.2.Контаюп пластин по грани

3.3.3.Контакт пластины и стержня 104 З.ЗЛКонтакт двух пластин и двух стержней 105 3.3.5Контакт двух стержней 106 3.4.ВЫВОДЫ.

ГЛАВА 4.ПРАКТИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ВЛИЯНИЯ СТЫКОВ НА ТЕПЛОВОЕ

СОСТОЯНИЕ СТАНОЧНЫХ КОНСТРУКЦИЙ.

4.1.шпивдель на тешоизолированных опорах 109 4.1д.описание стенда. 109 4.1 ^.Моделирование тепловых процессов, протекающих в шпиндельном узле, из

4.2.ТЕМПЕРАТУРНОЕ поле планшайбы ТОКАРНО-КАРУСЕЛЬНОГО станка (мод. 1532.)

4.3.выводы.

5.0СН0ВНЫЕ ВЫВОДЫ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Влияние стыков на тепловое состояние станка»

В настоящее время в станкостроении наметилась тенденция к росту энергонасыщенности оборудования, которая вызвана повышением универсальности (концентрацией операций, осуществляемых на одном рабочем месте), интенсификацией технологических режимов, увеличением доли станков с ЧПУ.

В связи с этим всё возрастающую роль в формировании точности обработки начинают играть температурные деформации станка. Их доля, как показали отдельные исследования, может составлять 40-70% в общей погрешности обработки. Одновременно, тепловыделение влияет на работоспособность отдельных узлов, приводя к изменению натяга в подшипниках, задирам в направляющих из-за потери несущей способности и т.п.

Температурные деформации станков носят сложный пространственно-временной характер и зависят от большого числа факторов: расположения и мощности источников тепла, конструктивного исполнения и режимов работы станка, условий охлаждения в цехе.

Неравномерность нагрева узлов, несущей системы станка приводит к изменению относительного положения инструмента и заготовки, в следствии чего возникают погрешности размера и формы. Если размерные погрешности легко компенсируются настройкой станка во время работы, то погрешности формы устранить не всегда возможно. Поэтому повысить точность обработки можно только при всестороннем изучении тепловых процессов, протекающих в станке.

Решить эту задачу на этапе проектирования помогает математическое моделирование термоупругих характеристик конструкции, для которого широко используется метод конечных элементов. Моделирование станков, особенно на этапе проектирования, носит многовариантный характер и связано с большим объёмом вычислений. Для их сокращения объект разбивают на подсистемы. Естественными границами для такого разбиения являются сопряжения деталей и узлов (стыки).

Моделирование теплового состояния станков связано с большим числом неопределённых факторов. Существенным и, в то же время, мало изученным является влияние стыков на тепловое состояние станка. Стык двух поверхностей обладает термическим сопротивлением, причиной которого является отличие фактической и номинальной площади контакта. Однако, традиционный набор конечных элементов, используемых для расчёта температурного поля, не позволяет моделировать конструкции, содержащие стыки. Это обстоятельство сдерживает исследования по использованию стыков и теплоизолирующих материалов для формирования благоприятного температурного поля.

Обилие металлических стыков и стыков с применением композитных материалов, обладающих теплоизолирующими свойствами, изменяет картину движения тепловых потоков в конструкции. Пренебрежение термическим сопротивлением стыков приводит к ошибкам в прогнозировании тепловых полей и деформаций станка, его узлов.

Заключение диссертации по теме «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки», Гиловой, Леонид Яковлевич

5.0СН0ВНЫЕ ВЫВОДЫ.

1 .Определение термосопротивления стыка двух поверхностей связано с нахождением геометрических параметров контакта: ожидаемого числа и размеров площадок контакта в плоскости стыка. Разработанная модель упругих свойств стыка позволяет установить зависимость между перечисленными параметрами и микрогеометрией поверхностей, свойствами материала, давлением в стыке. Связь между микрогеометрией поверхности и видом механической обработки даёт возможность на этапе проектирования прогнозировать величину термосопротивления стыка, и, следовательно, принимать более обоснованные проектные решения.

2 .Численное экспериментирование с упругой моделью стыка показало: распределение пятен фактического контакта внутри контурной площадки и распределение контурных пятен внутри геометрических площадок контакта с достаточной точностью можно считать равномерным, а положение площадки контакта на поверхности выступа - подчиняющимся закону равной вероятности.

3.По результатам математического моделирования термосопротивления стыков было установлено, что:

• для всех типов механической обработки с увеличением класса шероховатости поверхности величина термосопротивления стыка снижается;

• с увеличением нагрузки на стык возрастает роль волнистого слоя в формировании термосопротивления стыка, роль шероховатого слоя снижается;

• среда, заполняющая стык, существенное влияет на величину его термосопротивления, например, при заполнении сухого стыка маслом его термосопротивление уменьшается в 2-5 раз;

• существует зависимость термосопротивления стыка от типа обработки поверхностей контакта.

4.Применение разработанных конечных элементов, моделирующих сосредоточенные термосопротивления, в значительной степени облегчает практическое применение модели, так как упрощает подготовку исходных данных и сокращает время выполнения расчётов в результате: снижения размерности глобальной матрицы теплопроводности за счёт использования более крупной конечноэлементной сетки при описании стыков; использования одного и того же подхода для описания металлических стыков поверхностей, полученных механической обработкой, и стыков через теплоизолирующие вставки.

При этом незначительно снижается разреженность глобальной матрицы теплопроводности.

5.Расчёты температурных полей конструкций показывают, что стыки приводят к увеличению неравномерности нагрева деталей, образующих контактную пару: наблюдается общее повышение температуры наиболее нагретой детали, а температура детали принимающей тепло снижается.

6.Полученная в работе зависимость между изменением температуры контактирующих поверхностей и величиной термосопротивления стыка позволяет целенаправленно использовать заполнители внутристыковых полостей с разными тегшопроводящими свойствами для управления температурным полем конструкции.

7 .Наиболее сильно влияние стыков на температурное поле проявляется в узлах, функционирование которых связано с интенсивным тепловыделением: коробки скоростей, шпиндели, направляющие. Перепад температуры в плоскости стыка прямо пропорционален плотности теплового потока, которая в этих узлах достаточно высока.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Гиловой, Леонид Яковлевич, 1998 год

1. Андрианова И, А, Уменьшение тепловых деформаций торцешлифовадышх станков. Автореф. дисс. к. т. н., Москва, МОСС1АШТШ, 1У54, 17 С.

2. Ахматов A.C. Молекулярная физика граничного трения. 1 осударственное издательство физико-математической литературы. Москва 1963, 472 с,ьеляев ü.M. Основы теплопередачи. Киев "Быща школа" 1959, 343 с.

3. Батик IILM. Макрогеометрия деталей машин. Москва, "Машиностроение", 1973,344 с.

4. Боуден Ф.П., Тейбор Д. Трение и смазка твёрдых тел. Москва, Машиностроение 1УЬё, э43 с.

5. Бретеев Б.Т. Влияние нагрева шлифовальных станков на точность их раооты. "Станки и инструмент' 1УМ, N 4 с. 9-12,

6. Бромберг Б.М. Исследование рассеивания температурных смещений рабочих органов отделочно-расточных станков. Металлорежущие станки. Киев, Техника, 1979, вып. 7, с. 30-34.

7. Ватсон l .ll. Теория оесселевых функций. Москва, Иностранная литература, 1949, 798 с.

8. Градпггейн Н.С., Рыжик И,М. Таблицы интегралов, сумм рядов и произведений. Москва, Физматгиз, 1963, 11UU с.

9. Гринберг Г.А. Избранные вопросы математической теории электрических и магнитных явлений. Москва. Ali СССР 1948, 728 с.1. J. S

10. Дальский С.А. Оценка технического состояния подвижных рабочих органов многооперационных станков по траекториям движения. Автореф. дисс. к. т. н. Москва, МВТУ, 1982, 17 с.

11. Дёмкин Н.Б. Рыжов Э.В. Качество поверхности и контакт деталей машин. Москва, Машиностроение 1981,227 с.

12. Демкин Н.Б. Фактическая площадь касания твёрдых поверхностей. Москва, изд. АН СССР 1962г., 111 с.

13. Дёмкин Н.Б. Фактическая площадь касания твердых поверхностей. Москва, Наука 1970,227 с.

14. Детали и механизмы металлорежущих станков. В 2 томах /под редакцией Д.Н.Решетова. Москва, "Машиностроение" 1972, т.1 663 е., т.2. - 619 с.

15. Журавлёв В.А. К вопросу о теоретическом обосновании закона Амонтона-Кулона для трения несмазанных поверхностей. Журнал технической физики, 1940, т.Ю вып. 17 с. 1447.

16. Ильченко О.Т., Капинос В.М. Термическое сопротивление контактного слоя /Тр. Харьковского политехнического института им. В.И.Ленина т. 19 вып.5 серия машиностроение 1959 с. 169-181.

17. Исследование динамики и температурных процессов в гокарно-револьверных станках: Куйбышевский политехнический институт им. В.В.Куйбышева х.-д. N 24/80.

18. Капинос В.М., Ильченко О.Т. К вопросу определения контактного термического сопротивления смешанных пар. Труды Харьковского политехнического института. Машиностроение. 1959, т.19 вып.5 с. 217223.

19. Кондратьев Г.М. Тепловые измерения. Москва, МАШГИЗ 1957, 224 с.

20. Крагельский И.В. Бессонов Л.Ф. Швецова Е.М. Контактирование шероховатых поверхностей. ДАН СССР 1953, т.93 N 1 с.43-46.

21. Крагельский И.В. Трение и износ. Москва. "Машгиз" 1962,383 с.

22. Крагельский И.В., Добычин М.Н и др. Основы расчётов на трение и износ. Москва, Машиностроение, 1977, 525 с.

23. Кунин Е.А., Китенко Е.А. Снижение температурных деформаций горизонтально-расточных станков. 'Станки и инструмент' 1975, N 7, с. 11-13.

24. Лайнер В.И. Современная гальванотехника Москва "Металлургия" 1967, 384 с.

25. Левина З.М. Решетов Д.Н. Контактная жесткость машин. Москва, Машиностроение 1971,264 с.

26. Лукашенко В.А. Уменьшение влияния температурных деформаций на точность обработки отверстий. Оборудование с ЧПУ, 1980, N9, с. 7-8.

27. Лурье М.Э. Исследование температурных деформаций координатно-расточных станков. Диссертация на соискание учёной степени кандидата технических наук. Москва, ЭНИМС 1965.

28. Мальков В.А. Термическое сопротивление контакта обработанных металлических поверхностей в вакууме. "Инженерно-физический журнал", 1970, т.18, N2, с. 259-261.

29. Мальков В.А. Фаворский О.Н. Леонтьев В.Н. Контактный теплообмен в газотурбинных двигателях и энергоустановках. М.Машиностроение 1978,144 с.

30. Масаами Ц. Бетон и керамика в металлорежущих станках. Кикай Саккай. =Match. des. 1988 -vol. 32, N15 Р.77-80.

31. Меерович И.Г., Карцелли И.Ю. Простой метод нагрева с постоянной скоростью. "Теплофизика высоких температур" 1965, т.З N 5 с. 802-804.

32. Миллер B.C. Результаты экспериментального исследования контактного теплообмена между металлическими плоскими поверхностями./Тр. института теплоэнергетики АН УССР 1960 Вып. 20 с. 54-59.

33. Михеев М.А. "Основы теплопередачи" ГЭИ 1949,415 с.

34. Мурзаков Х.Е., Ентаева А.Н. Влияние температурных деформаций токарно-револьверного станка модели 1П426Ф30 на точность обработки. Динамика диагностика и надёжность станочных систем. Куйбышев:Куйб. обл. издат., 1989, с. 73-74.

35. Мучник Г.Ф., Меерович И.Г. Нестационарная теплопроводность в системах твёрдых тел, находящихся в контакте. "Теплофизика высоких температур" 1963, т.1 N 3 с.404-408.

36. Оценка влияния температурных возмущений на размерную точность токарного модуля. Бржозовский Б.М., Добряков В.А. и др. Известия вузов. Машиностроение, 1988, N 9, с. 156-160.

37. Перепятько М.С. Исследование технологической надёжности прецизионных токарных станков. Автореф. дисс. к. т. н. Москва МВТУ 1983,17 с.

38. Пешее Л.Я., Степанова М.Д. Основы теории ускоренных испытаний на надёжность. Минск, Наука и техника, 1972,168 с.

39. Пивовар Л.Е. Влияние тепловых деформаций на точность токарных многошпиндельных автоматов. Известия Вузов. Машиностроение, 1982, N4, с. 147-151.

40. Пивовар Л.Е. Исследование и прогнозирование технологической надёжности токарных многопшиндельных автоматов по экстремальному уровню. Автореф. дисс. к.т.н. Москва МВТУ 1982, 16 с.

41. Поляков А.Н. Разработка метода анализа теплового состояния шпиндельных узлов на основе модального подхода. Диссертация к.т.н. МОССТАНКИН Москва 1991,231 с.

42. Попов В.М. Теплообмен в зоне контакта разъёмных и неразъёмных соединений. М.Энергия 1971,216 с.

43. Пригоровский Н.И. Методы и средства определения полей деформаций и напряжений. Справочник. Москва, Машиностроение, 1983,248 с.

44. Проников A.C. Надёжность машин. Москва, Машиностроение, 1978, 592 с.

45. Пронников A.C., Юрин В.Н. Оценка изменения металлорежущими станками точности обработки за межналадочный период. Отчет НИО Москва МВТУ, 1975, 30 с.

46. Пугачев B.C. Теория вероятностей и математическая статистика. М.: Наука, 1979,496 с.

47. Пуш A.B. Шпиндельные узлы, качество и надёжность. Москва, Машиностроение, 1992 г., 287 с.

48. Расчеты машиностроительных конструкций методом конечных элементов. Справочник./под редакцией В.Й.Мяченкова. Москва "Машиностроение" 1989,520 с.

49. Решетов Д.Н. Повышение точности металлорежущих станков. Москва НИИМАШ 1979, 110 с.

50. Решетов Д.Н., Смирнов В.Ф., Соколов Ю.Н. Исследование влияния тепловых деформаций на точность и производительность станков. Москва, МАТИ-ЭНИМС 1950,47с.

51. Родионов O.E. Разработка и исследование системы автоматической стабилизации температуры шпиндельного узла координатно-расточного станка с целью повышения их частоты вращения. Диссертация к. т. н. Саратов: СарПИ 1983, 186 с.

52. Рыжов Э.В. Контактная жесткость деталей машин. Москва, Машиностроение 1966, 195 с.

53. Рыжов Э.В., Суслов А.Г. и др. Контактирование твёрдых тел при статических и динамических нагрузках. Киев, Наукова Думка, 1982, 169 с.

54. Сайманин A.C. Совершенствование несущих систем токарных полуавтоматов с ЧПУ на основе обобщенной конечноэлементной математической модели. Диссертация к.т.н. МОССТАНКИН Москва 1986,189 с.

55. Самохвалов Е.И. Повышение быстроходности шпиндельных узлов на основе автоматизированных расчётов по температурному критерию. Диссертация к.т.н. Москва, МОССТАНКИН, 1986,274 с.

56. Самохвалов Е.И. Температурный анализ высокоскоростных шпиндельных узлов "Станки и инструмент" N 4 1989, с. 8-10.

57. Самохвалов Е.И., Левина З.М. Температурный анализ шпиндельных узлов токарных станков средних размеров. "Станки и инструмент" N 11 1985, с. 17-19.

58. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. Москва "Мир" 1979,392 с.

59. Смирнов А.И. Системы термостабилизации в многооперационных станках с ЧПУ. В сб.: Оборудование с ЧПУ, Вып. 1, Москва НИИМАШ, 1978, с. 7-9.

60. Смирнов А.И. Температурные критерии качества металлорежущих станков. 'Станки и инструмент' 1978, N10 с. 11-13.

61. Соколов Ю.Н. Исследования и расчет температурных полей и температурных деформаций металлорежущих станков. Автореферат диссертации к.т.н. ЭНИМС Москва 1955, 15 с.

62. Соколов Ю.Н. Расчет температурных полей и температурных деформаций металлорежущих станков. Москва, центральное бюро технической информации 1958, 82 с.

63. Теория тепломассообмена./под редакцией А.И.Леонтьева. Москва, "Высшая школа" 1979, 496 с.

64. Тепло- и массообмен при взаимодействии потока с поверхностью. Московский Авиационный институт. Москва 1981.

65. Файнгауз В.М., Болотников М.А. Исследование температурных деформаций горизонтально расточных станков "станки и инструмент" N4 1980, с. 7-9 .

66. Фигатнер А.М. Шпиндельные узлы современных металлорежущих станков. Обзор. Москва НИИМАШ 1983, 60 с.

67. Хижняк П.Е. некоторые результаты исследования контактного термического сопротивления. Известия ВУЗов, Энергетика N2, 1966, с. 69-76.

68. Хомяков В.С., Досько С.И., Поляков А.Н. Использование принципа декомпозиции в тепловых расчётах металлорежущих станков. "Известия ВУЗов", N5,1990, с. 141-145.

69. Хомяков В.С., Досько С.И., Поляков А.Н. Применение теоретического модального анализа к расчёту температурных полей в металлорежущих станках. "Известия ВУЗов", N9,1989, с. 154-158.

70. Шаталова М.М. Разработка автоматизированного расчёта нестационарных температурных процессов и снижение температурных деформаций в токарных станках средних размеров. Автореферат диссертации к.т.н. спец. 05.03.01. Москва, ЭНИМС 1990,18 с.

71. Шлыков ЮН, Ганин Е.А., Царевский С.Н. Контактное термическое сопротивление. М.Энергия 1977, 327 с.

72. Шмальц Г. Качество поверхности. Москва, МАШГИЗ, 1947, 334 с.

73. Шпиндельные узлы высокоскоростных токарных станков. Москва, ВНИИТЕМР, 1978, сер.1, вып. 7, с. 9-14.

74. Юрин В.Н. Обеспечение качества станков при проектировании путем управления их тепловыми деформациями. Диссертация д.т.н. МАТИ Москва 1993 г.

75. Яцков А.И. Повышение жесткости и снижение металлоёмкости несущих систем тяжелых одностоечных токарно-карусельных станков. Диссертация к.т.н. МОССТАНКИН Москва 1983,190 с.

76. G.Spur,Е.Hoffman. Wärmeübergang an einer arbeitsseitigen Spindelstockwand. "Industrie" N 68 1988 J.

77. Rabinowilz E. Friction und Wear of materials. New York 1965.

78. Salje E., Gerloff H., Mayer J. Comperison of mashine tool elements made of polymer concrete and cast iron.

79. Schauer D.A., Giedt W.H. Contact conductance measurement during transient heating. The tird Internat. Heat Transfer Cohf. Chicago. 1966.

80. Spur G., Fischer H. Untersuchung der termischen Verchalten der Tischgruppe einer Grosswerkzeugmaschine. CIRP Ann 1968 vl6 N1, s. 75-78.

81. Пуш A.B., Ежков A.B., Иванников С.Н. Испытательно-диагностический комплекс для оценки качества и надёжности станков. 'Станки и инструмент', №9,1987, с. 8-12.

82. Пуш A.B., Шолохов В.П. Шпиндельные узлы. В кн. Проектирование металлорежущих станков и станочных систем.// Под редакцией Пронникова A.C. Москва, МГТУ им. Баумана, Машиностроение 1995, т.2, с. 78-173.

83. Иванников С.Н. Обеспечение качества процесса токарной обработки путём управления параметрической надёжностью шпиндельных узлов токарного станка.// Исследования в области технологии машиностроения и сборки машин. Тула, ТУЛпи, 1987 с. 104-111.