CC BY
28
меренная в направлении нормали к изнашиваемои поверхности в каждый момент времени.
Список литературы
1. Гуревич Д.М. Механизм изнашивания твердосплавного инструмента
при высоких температурах резания//Вестник машиностроения.-1976.-№3.-С. 73-75.
2. Гуревич Д.М. Адгезионно-усталостное изнашивание твердосплавного
режущего инструмента//Вестник машиностроения.-1986.-№5.-С. 43-45.
3. Тахман С.И. Режимы резания и закономерности изнашивания
твердосплавного инструмента.-Курган: Изд-во Курганского гос. ун-та, 2001.-169 с.
4. Розенберг Ю.А., Тахман С.И. Силы резания и методы их определе-
ния: Учебное пособие: В 2ч. - Курган: Изд-во Курганского гос. унта, 1995.
5. Свойства элементов: Справочник / Под ред. Г.В. Самсонова.- Изд.
2-е, испр. и доп.-М.: Металлургия.-1976.-Ч.1: Физические свойства.-600 с.
6. Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента-
ми Машиностроение,-1982.- 320 с.
Рохин В.Л., Рохин Л.В. Курганский государственный университет, г. Курган
ИССЛЕДОВАНИЕ БАЛАНСА ТЕПЛОВЫХ ДЕФОРМАЦИЙ ТОКАРНОГО СТАНКА С ЧПУ
В статье приведены результаты экспериментальных исследований тепловых деформаций токарного станка с ЧПУ. Выявлены величины смещений опорных точек базовых деталей станка, влияние тепловых деформаций на изменение точности настройки станка во времени.
Точность обработки деталей на токарных станках с ЧПУ характеризуется рядом геометрических параметров: точностью размеров, формы и взаимного расположения поверхностей деталей. Тепловые деформации станков, имеющих большое число источников тепловыделения, вносят существенный вклад в общий баланс погрешностей и играют особенно заметную роль при чистовой обработке деталей. В результате воздействия тепла нарушается точность настройки технологической системы, изменяется геометрическая и кинематическая точность станка. Это снижает вероятность изготовления деталей с заданными показателями качества.
В исследованиях, посвященных тепловым деформациям, решаются задачи оценки их влияния на отдельные показатели точности обработки [1], на формообразующие, например, шпиндельные узлы [2], работы [3] и [4] посвящены разработке математических моделей влияния тепловых деформаций на точность станков. Вместе с тем вопросы, связанные с разработкой моделей параметрической надежности станков, требуют более глубокого изучения процессов изменения их точности во времени и, в частности, изучения баланса тепловых деформаций элементов конструкции станка.
В исследовании была поставлена задача изучения баланса погрешностей на примере станка мод. АТПр2М12, возникающих из-за его нагрева при работе. Исследовались тепловые смещения оси шпинделя при нагреве шпиндельной бабки, смещения шпиндельной бабки из-за тепловых деформаций станины, удлинения ходовых винтов, собственно шпинделя, температуру шпиндельного узла, шпиндельной бабки и ходовых винтов.
Измерения тепловых деформаций производились индикаторами часового типа с ценой деления 0,001 мм, температуру измеряли в характерных точках узлов стан-106
ка с помощью термопар. Схема измерения тепловых деформаций некоторых базовых деталей в опорных точках приведена на рис.1. Индикаторы 1-11 измеряли смещения опорных точек основания станка. В точках О1, В1, С1 засверливались отверстия, в которые вставлялись пробки диаметром 10 мм. При нагреве пробки смещались вместе с соответствующими точками основания. Это
позволило зафиксировать смещения опорных точек О1,
В1, С1 и определить смещение шпиндельной бабки, установленной на поверхности основания. Смещение точек О3, В3 основания станины измерялось косвенно
по показаниям индикаторов 8, 9 и 10, 11. Смещение определялось как полусумма показаний этих индикаторов с учетом направления смещения точек.
Рис. 1. Схема расположения индикаторов в опрных точках станины (а, 1-11), шпиндельной бабки (б, 12-17), ходовых винтов (в, 18)
Изменение положения шпинделя определяется изменением координат опорных точек А , В . Смещение точек измерялось косвенным методом. На крышке переднего и заднего подшипников шпинделя устанавливались кольца К1 и К2. Смещение колец происходит
вместе с крышками подшипников и, следовательно, вместе со шпинделем. Для уменьшения влияния на точность измерения собственных тепловых деформаций колец К1 и К2 применялся дифференциальный метод измерения с помощью двух индикаторов 13 и 14.
Удлинение ходовых винтов (на рис.1 показан один винт) измерялось индикатором 18, установленным на основании станка.
Температуру опор станка измеряли в точках А , В . Для этого в шпиндельной бабке засверливались отверстия в направлении наружных колец подшипников шпинделя. Измерялась также температура шпиндельной бабки в месте ее контакта с основанием станка (точки С1, В1).
ВЕСТНИК КГУ, 2005. №2.
Снятие показаний индикаторов производилось через каждые 30 минут работы станка на холостых ходах и при обработке заготовок. Велась обработка валиков из бронзы Бр АЖМц 10-3-1,5 ГОСТ 493-54 резцами, оснащенными пластинками твердого сплава ВК8 ГОСТ 1905273. Режимы резания: скорость резания 180 м/мин, подача 0,15 мм/об, глубина 1мм.
По результатам измерений тепловых деформаций отдельных деталей станка в опорных точках строились графики зависимости "время-деформация", определялось установившееся значение деформации и величина постоянной, характеризующей скорость нарастания деформации в опорной точке во времени. На рис.2 в качестве примера приведены графики смещений оси шпинделя (опорные точки А , В ) в направлении инструмента
(ось ОХ) и точек О1 и В1, характеризующих смещение
основания станка и основания шпиндельной бабки в том же направлении.
п = 1780об / мин , значение А из этого графика при
Рис. 2. Смещение опор шпинделя (а) и основания шпиндельной бабки (б) в направлении инструмента (ось OX)
Смещения опорных точек станка, в которых измерялись тепловые смещения, описываются экспоненциальной зависимостью вида
x(t ) = A
/
1 - exp
t
\
T
V la у
том
же числе оборотов: А = АХЛтах = 70мкм. После
обработки экспериментальных данных значения А и Т для различных опорных точек при различных частотах вращения шпинделя приведены в таблице 1.
Удлинение ходовых винтов практически не зависит от частоты вращения шпинделя и составляет 5-9 мкм с
постоянной времени ТХВ = 20-25 мин.
Из анализа полученных данных можно сделать следующие выводы:
- тепловые деформации узлов станка, измеренные в характерных точках, имеют различную величину, направление смещений, различную скорость нарастания во времени и, в основном, зависят от частоты вращении шпинделя;
- наибольшее смещение имеют передняя и задняя опоры шпинделя, их деформации различаются по величине и времени нарастания;
- результаты экспериментов, приведенные в таблице 1, имеют хорошую воспроизводимость при повторном проведении исследований.
Таблица 1
Значения установившихся тепловых деформаций и постоянных времени нагрева
n. АХЛ , 1 АХ,, 1 АХ 0,. 1 АУ01. 1
об/мин мкм Та ' мкм Т, ' мкм Т ' 1 X 01 мкм Т ' 1У 01
мин-1 мин-1 мин мин
315 30 1/20 45 1/20 -4 1/160 25 1/160
630 42 1/30 57 1/36 -5 1/180 27 1/160
890 55 1/35 73 1/50 -8 1/200 30 1/170
1780 70 1/50 90 1/60 -10 1/200 35 1/200
n . AZe„ 1 АХС1. 1 АУ„, 1 АХ„. 1
об/мин мкм Т ' JZ01 мкм Т ' 1 XC1 мкм Т ' Jyc1 мкм Т ' 1 ХВ1
мин-1 мин-1 мин-1 мин-1
315 2 1/200 -5 1/180 20 1/150 -4 1/160
630 3 1/200 -8 1/180 26 1/170 -6 1/160
890 5 1/200 -11 1/200 29 1/180 -7 1/180
1780 6 1/200 -13 1/230 30 1/180 -8 1/200
n . У В1 > 1 Х 03 . 1 У 03 1 У C3 > 1
об/мин мкм Т ' УВ1 мкм Т ' 1 Х 03 мкм Т ' 1У 03 мкм Т ' 1 УС3
мин-1 мин-1 мин-1 мин-1
315 26 1/170 3 1/180 20 1/180 20 1/180
630 28 1/170 5 1/200 26 1/190 26 1/190
890 32 1/190 8 1/220 32 1/200 32 1/200
1780 38 1/220 10 1/220 40 1/200 40 1/200
На точностные характеристики станка влияют тепловые деформации всех базовых деталей станка, но в различной степени. Наибольшее воздействие на изменение точности настройки оказывает шпиндельный узел, который несет приспособление с обрабатываемой деталью. Величину смещения настройки выразим через изменение во времени смещения опор шпинделя, приведенную к точке контакта детали и инструмента:
А н (t )=Sxa (t) + ^ .ß(t) ,
a
(2)
(1)
где А - установившееся значение тепловых смещений;
ТА - постоянная, характеризующая скорость нарастания тепловых деформаций;
I - время.
Значения А и ТА определяются из графиков. На рис.2,а показана схема определения постоянной Т при
СЕРИЯ «ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ», ВЫПУСК 1
где 8ХЛ (¿)- смещение передней опоры (точка А , см. рис.1) в направлении оси Х;
) - угол перекоса оси шпинделя из-за неравномерности смещения передней (А ) и задней (В ) опор;
Ь - расстояние от передней опоры до фланца шпинделя;
а - расстояние между опорами шпинделя;
Хй - расстояние от фланца шпинделя до точки контакта резца с заготовкой.
Значения 5ХЛ (^) и ) выразим через смещение
107
опорных точек A и В (см. рис.1).
(t ) = АХЛ,
1 - expl-
ß(t )=
a
AXa
1 - expl -
T
-AX„
1 - expl -
T
(3)
(4)
где АХ.
АХ„
-Л тах , —В тах - наиболее установившиеся
смещения опор Л и В шпинделя при заданной частоте вращения;
ТХЛ , ТХВ - постоянные времени (значения указанных аргументов приведены в таблице 1).
По зависимости (2) построен график изменение настройки станка во времени (рис.3).
50 40 30
го ю
о
Дн
/ /
/ /
60 120 180 240 300
360
420 t.
50 40 30
го ю
о
L ÄD,mkm
V* \ }
У ^ А AV
<1
40 +
5
80 +
Ш 160 V
10
+
+
15 20 № де
Рис. 4. Изменение размеров деталей, обрабатываемых на станке
Погрешность формы детали в продольном сечении (конусообразность) определялась по разности диаметральных размеров в двух сечениях, отстоящих на расстоянии 50 мм. Изменение конусообразности деталей показано на рис.4б. Конусообразность, равная в начале 10-15 мкм, увеличивается по мере работы станка, достигая значений 25-30 мкм через 160 минут.
20 15 10 5
0
Аф.МКМ
i.— А™
/ В
4f
40 45
80 120 160 Щ
-1--ь
10
15 20 № летели
Рис. 3. Расчетное изменение настройки станка во времени
Неравномерность тепловых деформаций станка в передней и задней опоре шпинделя приводит к сложному характеру изменений настройки станка. В начальный момент времени шпиндель смещается в направлении на режущий инструмент, что должно приводить к уменьшению диаметральных размеров обрабатываемых деталей. Стабилизация смещений передней опоры и продолжающееся смещение задней изменит тенденцию на противоположную.
Обработка партии деталей типа "вал" на режимах, описанных выше, подтвердило характер изменения настройки станка. Результаты экспериментов приведены на рис.4, 5. Отклонение диаметральных размеров др валиков изменяется во времени по закону, близкому к тому, что показан на рис.3.
Рис. 5. Изменение формы деталей, обрабатываемых на станке
Выводы
1.Тепловые деформации станка оказывают существенное влияние на точностные параметры, изменяя во времени настройку станка по показателям точности размеров и формы обрабатываемых деталей.
2. В общем балансе тепловых деформаций преобладают деформации шпиндельной бабки; свою долю вносят деформации станины, основания и ходовых винтов.
3. Эксперименты подтвердили общепринятую экспоненциальную зависимость (1) для описания тепловых деформаций отдельных узлов и выявили сложный характер совокупного влияния нагрева всех узлов на точность настройки.
Список литературы
1. Точность и надежность станков с числовым программным управлени-
ем /Под ред. А.С. Проникова. - М.: Машиностроение, 1982.- 256с.
2. Пуш А.В., Зверев И.А. Шпиндельные узлы. Проектирование и
исследование: Монография. - М.: Изд-во "Станкин", 2000. - 197с.
3. Рохин В.Л. Математическая модель влияния тепловых деформаций
станка на точность обработки //Известия вузов. Машиностроение. - №11. - С. 167-171.
4. Пуш А.В. Модель параметрического отказа шпиндельного узла при
тепловых процессах //Известия вузов. Машиностроение. - 1986. -№10. - С.152-157.
Рохин В.Л., Рохин Л.В. Курганский государственный университет, г. Курган
НАДЕЖНОСТЬ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ ПРИ ТОКАРНОЙ ОБРАБОТКЕ ДЕТАЛЕЙ
Приведены результаты исследований по оценке надежности технологических систем токарных операций по параметрам точности размеров и формы обрабатываемых деталей. Разработана математическая модель надежности операции, учитывающая тепловые деформации станка.
Эффективность современного металлообрабатыва-
ХА
t
t
108
ВЕСТНИК КГУ, 2005. №2.
