CC BY
15Решетнеескцие чтения. 2015
УДК 67.02+67.05
ВЫСОКОЧАСТОТНАЯ ОСЕВАЯ МИКРООСЦИЛЛЯЦИЯ ШПИНДЕЛЯ ПРИ ОБРАБОТКЕ РЕЗАНИЕМ
А. О. Головин12, Т. И. Косьмина12, С. Н. Шатохин2
:АО «Научно-производственное предприятие «Радиосвязь» Российская Федерация, 660021, г. Красноярск, ул. Декабристов, 19
2Сибирский федеральный университет Российская Федерация, 660074, г. Красноярск, ул. Киренского, 26а E-mail: anton.golovin69@gmail.com
Представлен защищенный патентом РФ мотор-шпиндель с гидростатическими опорами и высокочастотной осевой микро-осцилляцией шпинделя (ВОМШ), применение которого эффективно для интенсификации обработки резанием деталей из труднообрабатываемых материалов для ракетно-космической и другой высокотехнологичной техники.
Ключевые слова: мотор-шпиндель, гидростатические опоры, высокочастотная осевая микро-осцилляция шпинделя (ВОМШ).
HIGH-FREQUENCY AXIAL MICRO-OSCILLATION OF A SPINDLE DURIND MACHINING
A. О. Golovin1,2, Т. I. Kosmina1,2, S. N. Shatokhin2
1JSC «Sientific production enterprise «Radiosvyaz» 19, Dekabristov Str., Krasniyarsk, 660021, Russian Federation 2Siberian Federal University 26а, Kirensky Str., Krasnoyarsk, 660074, Russian Federation. *E-mail: anton.golovin69@gmail.com
We have patented and presented a motor-driven spindle with hydrostatic bearings and high-frequency microoscillation axis of a spindle (HAMS). Its application is efficient to intensify detail machining, which are made of difficult-to-cut materials for missile and space machinery and other high-tech equipment.
Keywords: motor-driven spindle, hydrostatic supports, high-frequency axial micro-oscillation of a spindle (HAMS).
Для изготовления деталей ракетно-космической, авиационной, микроэлектронной и другой высокотехнологичной техники широко применяются материалы с особыми физико-механическими свойствами (титан, композиты, стекло, керамика и др.), которые трудно обрабатываются резанием. При этом особую сложность представляет высокоскоростное шлифование малых отверстий инструментом с тонким слоем сверхтвердого абразива (поликристаллические алмазы, кубический нитрид бора и др.), который не подлежит правке.
Результаты зарубежных и отечественных исследований показывают, что применение высокочастотной осевой микро-осцилляции шпинделя (далее ВОМШ) для интенсификации операций шлифования деталей из труднообрабатываемых материалов обеспечивает:
- снижение силы резания до 70 % и снижение возможности поломки инструмента [1];
- уменьшение шероховатости обработанной поверхности на 1/3 [1];
- значительное уменьшение температуры в зоне резания и увеличение стойкости алмазно-абразивных инструментов [2];
- повышение производительности обработки в 3-5 раз [3].
Однако известные технические решения для шпиндельных узлов с ВОМШ [4] являются экспери-
ментальными и непригодны для промышленного применения.
ФГАОУ ВПО «Сибирский федеральный университет» и АО «НИИ «Радиосвязь» (г. Красноярск) разработаны и защищены патентом РФ оригинальные технические решения для опытно-промышленных моторов-шпинделей с ВОМШ [5], одно из которых показано на рисунке.
Мотор-шпиндель имеет сборный корпус 1, в котором установлена передняя коническая гидростатическая опора 2, воспринимающая радиальную и осевую нагрузку шпинделя 3. Заднюю радиальную гидростатическую опору обеспечивает изменение давления рабочей жидкости в ступенчатом дросселирующем щелевом зазоре 4.
Осевую нагрузку шпинделя уравновешивает давление pн рабочей жидкости в щелевом зазоре 5 между торцами шпинделя и пакета пьезопластин 6, который установлен в крышке 7 заднего фланца сборного корпуса 1 и подключен к высокочастотному генератору тока.
Ири работе мотора-шпинделя происходит осевая микро-осцилляция пакета пьезопластин 6, которая периодически изменяет давление рабочей жидкости в щелевом зазоре 5 и генерирует собственные продольные волны шпинделя 3.
Технология и мехатроника в машиностроении
Техническое решение для опытно-промышленного мотора-шпинделя с гидростатическими опорами
и пьезострикционным генератором ВОМШ
Вращение шпинделя 3 осуществляет высокочастотный асинхронный электродвигатель, короткозамк-нутый ротор 8 которого установлен между опорами шпинделя, а статор 9 - в средней части корпуса 1. Для охлаждения мотора-шпинделя средняя часть сборного корпуса 1 имеет винтовые каналы, по которым циркулирует рабочая жидкость (маловязкое масло или водная эмульсия), нагнетаемая в гидростатические опоры, а в межопорное пространство поступает сжатый воздух, что исключает попадание сюда рабочей жидкости.
Необходимую амплитуду ВОМШ (4-5 мкм и более) можно получить только за счет возбуждения и локального усиления амплитуды собственных продольных волн шпинделя, резонансную частоту которых можно приближенно рассчитать по формуле
(2 • к -1) Е
юо =--д —,
0 4/ V р
где /, Е и р - длина, модуль упругости и плотность материала шпинделя; к - порядковый номер гармоники собственных продольных волн. Сочетание параметров /, Е и р, характерное для высокоскоростных шлифовальных и фрезерных моторов-шпинделей, позволяет получить значение шо = 4^6 кГц при к = 1, ю0 = 12^18 кГц при к = 2 и юо = 20^30 кГц при к = 3.
Амплитуда собственных продольных волн шпинделя уменьшается с увеличением их частоты, поэтому в звуковом диапазоне оптимальна генерация первой или второй, а в ультразвуковом диапазоне - третьей гармоники. Амплитуда собственных продольных волн по длине шпинделя изменяется периодически (штриховая линия на рисунке), и его опоры следует располагать в зоне минимальных, а инструмент - в зоне максимальных значений амплитуды. Коническая цапфа шпинделя является резонансным концентратором, который обеспечивает локальное увеличение амплитуды переднего конца шпинделя с инструментом.
В настоящее время проводится разработка математических моделей, алгоритмов и компьютерных программ, необходимых для теоретического исследования и параметрической оптимизации предлагаемых технических решений, а также подготовка экспериментальной проверки опытно-промышленных моторов-шпинделей с ВОМШ.
Библиографические ссылки
1. Study of internal ultrasonic vibration assisted grinding of small holes - construction of ultrasonic vibration spindle and its fundamental performances / Y. Wu, M. Nomura, M. Kato, T. Tachibana // J. Jpn. Abrasive Tech. 2003. Vol. 47, No 12. P. 550-555.
2. Experimental study on cutting temperature in rotary ultrasonic machining / W. L. Cong, Q. Feng, Z. J. Pei, T. W. Denies, C. Treadwell // Proceedings of NAMRI/ SME, 2011. Vol. 39. P. 245-252.
3. Кульков А. В. Абразивное суперфиниширование с применением ультразвука // Известия Волгоградского гос. техн. ун-та : межвуз. сб. науч. ст. № 12(72) / ВолгГТУ. Волгоград, 2010. № 6. С. 20-26.
4. Inducing a machine spindle to ultrasonically vibrate by fluctuating electromagnetic force / Y. Wu, M. Tamano, M. Kato, T. Tachibana // International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics. 2005. Vol. 25. P. 621-626.
5. Пат. 2556157. Российская Федерация, МПК7 В23В 19/02, В24В 41/04. Шпиндельный узел (варианты) / Шатохин С. Н., Курзаков А. С., Головин А. О. (РФ) № 2014126526/02; заявл. 30.06.2014; опубл. 10.07.2015, бюл. № 19. 12 с.
References
1. Study of internal ultrasonic vibration assisted grinding of small holes - construction of ultrasonic vibration spindle and its fundamental performances / Y. Wu, M. Nomura, M. Kato, T. Tachibana // J. Jpn. Abrasive Tech. 2003. Vol. 47. No 12. P. 550-555.
Решетневские чтения. 2015
2. Experimental study on cutting temperature in rotary ultrasonic machining / W. L. Cong, Q. Feng, Z. J. Pei, T. W. Denies, C. Treadwell // Proceedings of NAMRI/ SME, 2011. Vol. 39. P. 245-252.
3. Kulkov A. V. Abrasiv ultrasonically assisted superfinishing // Proceedings of Volgograd State Technical Universiry: Inter-high school collection of Scientific Articles, No 12(72) / VolgSTU. 2010. No 6, P. 20-26. (In Russ.)
4. Inducing a machine spindle to ultrasonically vibrate by fluctuating electromagnetic force / Y. Wu, M. Tamano, M. Kato, T. Tachibana // International Journal of Applied Electromagnetics and Mechanics. 2005. Vol. 25. P. 621-626.
5. Patent RF 2556157 Spindle assembly (versions). / Shatohon S. N., Kurzakov A. S., Golovin A. O. (RU), Appl. No 2014126526/02, priority, 30.06.2014. In English. 10.07.2015. Newsletter No. 19.
© Головин А. О., Косьмина Т. И., Шатохин С. Н., 2015
УДК 621.01
ВЛИЯНИЕ КОЛИЧЕСТВА ТЕЛ КАЧЕНИЯ НА ВЫХОДНЫЕ ПАРАМЕТРЫ КОЛЬЦЕВОГО ТОКОСЪЕМНОГО УСТРОЙСТВА
А. А. Гришин
АО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева» Российская Федерация, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52
E-mail: grishin_aa@list.ru
Рассмотрено влияние на стабильность функционирования кольцевого токосъемного устройства применения одиннадцатого контактного кольца. Представлен анализ причин изменения величины падения напряжения на кольцах токосъемных при вращении выходного вала устройства.
Ключевые слова: кольцевое токосъемное устройство, распределение контактных колец.
THE IMPACT OF THE NUMBER OF ROLLING ELEMENTS ON THE OUTPUT PARAMETERS
OF THE CURRENT COLLECTION DEVICES
A. A. Grishin
JSC "Information satellite systems" named after academician M. F. Reshetnev" 52, Lenin Str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russian Federation E-mail: grishin_aa@list.ru
The article considers the impact of the adoption of the eleventh contact rings on the functioning the collector ring unit. The analysis of the causes of changes in the magnitude of the voltage drop on the current collector rings during rotation of the output shaft of a device.
Keywords: current collection device, distribution of slip rings.
Система электропитания космического аппарата предназначена для обеспечения бесперебойного автономного электроснабжения на всех этапах его существования [1]. Центральное место в данной системе занимают кольцевые токосъемные устройства (КТУ). Они обеспечивают транзит электрической энергии от вращающихся солнечных батарей к внутренним системам космического аппарата. Колебания величин выходных параметров КТУ, таких как падение напряжения на кольцах токосъемных и суммарная рассеиваемая тепловая мощность [2], зависят от стабильности электрического контакта между токосъемными кольцами (ТК) каждой кинематической контактной пары, количества проводников (колец сателлитов) в слое ТК. В процессе вращения солнечной батареи на неограниченный угол передача электроэнергии от внутренних ТК к наружным осуществляется через упругие, катящиеся подобно шарикоподшипникам гибкие контактные кольца. Ранее КТУ изготавлива-
лись с десятью контактными кольцами в каждом слое ТК. В современных КТУ для повышения стабильности функционирования устройства применяют по одиннадцать контактных колец в каждом слое ТК.
В деформированном после установки контактном кольце формируется сила упругости, разжимающая кольцо. Величина силы зависит от степени сжатия контактного кольца и действует в радиальном направлении, смещая наружное ТК относительно внутреннего. Рассчитаем усилие деформации контактного кольца при соосном расположении внутреннего и наружного ТК [3]:
P =-
2EJF rosin2(—) 2
(
FR
а 1 . / ч —н — sin (а)--4 4 W
2sin21 а
• = 4Н
-JRI —-
sin (а)
