CC BY
113
ЯлГЙОяО/
Уфа : УГАТУ. 2012________________________________^_______________________________Т. 16, №4(49). С. 153-156
АВТОМАТИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ И ПРОИЗВОДСТВ
УДК 621.9.06-229.33:519.711.3
Ф. С. Сабиров, В. С. Хомяков, Д. Н. Суслов
МОДЕЛИРОВАНИЕ ГИЛЬЗОВАННЫХ ШПИНДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ
Рассмотрены вопросы, связанные с моделированием шпиндельного узла гильзовой конструкции методом конечных элементов и программное обеспечение для реализации этого метода. Оценено влияние на динамические характеристики шпиндельного узла таких факторов, как наличие центрального отверстия в шпинделе, расположение опор, жесткость подшипников. Шпиндельные узлы, моделирование ШУ; частотные характеристики ШУ; упругие деформации; динамические характеристики
Достижение высоких показателей точности и производительности при работе станка зависит от многих факторов. Не последнюю роль в этом играют шпиндельные узлы (ШУ) - их конструкция, качество изготовления, сборки и регулировки. Одним из важных показателей качества ШУ являются его динамические характеристики [1—3]. Исследованиям динамических характеристик станков и их ШУ на упругих опорах посвящено значительное количество работ, например [4-9].
Моделирование шпиндельных узлов позволяет решать не только задачи оптимизации конструкции, но, в некоторых случаях, решать обратную задачу — производить оценку жесткости опор, то есть фактическую величину предварительного натяга (при наличии экспериментальных динамических характеристик), а на этой основе оценивать состояние опор, качество их регулировки [10].
ПОСТАНОВКА ЗАДАЧИ И МЕТОД РЕШЕНИЯ
Одной из программ, позволяющей моделировать шпиндельные узлы, является ЗртБупа (версии 2.3) [9, 10], разработанная в МГТУ «Станкин» и предназначенная для автоматизированного расчета статических и динамических характеристик шпиндельных узлов металлорежущих станков. Опыт эксплуатации этой программы показал, что с ее помощью не удается адекватно моделировать шпиндельные узлы гильзовой конструкции, а также длинные тонкие втулки, сидящие на шпинделе, например, ротор мотор-шпинделя. Для решения подобных задач была разработана программа 8ртБупа_ БЕ, в основе которой лежит метод конечных элементов в отличие от ЗртБупа (версии 2.3), использующей метод начальных параметров.
ВОЗМОЖНОСТИ ПРОГРАММЫ
Интерфейс обеих программ в основном одинаков. Отличие состоит в отображении гильзовой части шпиндельного узла. Кроме того, в новой программе появилась возможность на одном графике отображать частотные характеристики и формы колебаний для различных вариантов расчетной модели.
С помощью программы 8ріпБупа_ГЕ можно моделировать ШУ металлорежущих станков на различных опорах (качения, аэро- и гидростатических и других) при наличии параметров, характеризующих их жесткостные и демпфирующие свойства.
Результатом статического расчета ШУ являются:
• осевые и радиальные упругие деформации, а также углы поворота сечений шпинделя, соответствующие узловым точкам расчетной схемы от заданных нагрузок и (или) веса шпинделя;
• реакции в опорах ШУ и стыках.
При динамическом расчете ШУ определяются:
• собственные частоты и модальные коэффициенты демпфирования;
• изгибные формы колебаний упругой системы ШУ в заданном частотном диапазоне;
• амплитудно-частотные (АЧХ) и фазочастотные характеристики ШУ по любой заданной координате, как от силы резания, так и от силы (момента), приложенной в любой узловой точке расчетной схемы.
Модальные параметры ШУ (собственные частоты, модальные коэффициенты демпфирования, нормальные формы колебаний) могут быть использованы для:
• получения реакции на произвольное силовое воздействие;
Контактная информация: 8(499)973-30-76
• анализа влияния на амплитуду колебаний отдельно жесткостных и демпфирующих характеристик;
• сопоставления с аналогичными характеристиками, получаемыми в результате обработки экспериментальных частотных характеристик.
ПРИМЕР ИСПОЛЬЗОВАНИЯ
ПРОГРАММЫ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ ГИЛЬЗОВАННОГО ШПИНДЕЛЬНОГО УЗЛА
Одним из примеров использования программы SpinDyna_FE, является работа, посвященная улучшению конструкции шпиндельного узла пятикоординатного шлифовального станка с ЧПУ. Сам шпиндель смонтирован внутри гильзы на пяти радиально-упорных подшипниках качения. Наружный диаметр гильзы 179 мм, а общая длина ШУ - 832 мм. В станке гильза со шпинделем размещена внутри бабки.
Исследуемый ШУ некоторое время уже находился в опытной эксплуатации, затем был снят со станка для некоторой доработки с целью улучшения динамических характеристик путем допустимых изменений конструкции. На рис. 1 показан ШУ, установленный на стенде и закрепленный в тех же местах, что и на станке. Попутно проводились исследования состояния
опор по виброакустическому сигналу, аналогичные исследованиям [11].
Рис. 1. Общий вид шпиндельного узла, установленного на стенде
Расчетная модель ШУ и окно программы с параметрами модели представлены на рис. 2. Пружины, обозначающие опоры, стоят по центру подшипников. Их жесткости взяты из каталога, а коэффициенты демпфирования, приняты в соответствии с рекомендациями [12].
Рис. 2. Рабочее окно программы и расчетная модель шпиндельного узла (SpinDyna_FE)
Ф. С. Сабиров, В. С. Хомяков, Д. Н. Суслов • Моделирование гильзованных шпиндельных узлов______155
Идентификация параметров исходной модели проводилась на основе частотных характеристик, полученных экспериментальным путем при импульсном нагружении шпинделя на переднем конце с помощью динамометрического молотка [13]. В результате идентификации удалось добиться весьма хорошего совпадения экспериментальных и расчетных собственных частот и высот пиков (АЧХ) в частотном диапазоне 0-1700 Гц, выбранном для дальнейшего анализа.
В шпиндельных узлах гильзовой конструкции шпиндель и гильза работают параллельно, внося свой вклад в перемещение переднего конца шпинделя. Анализ статических деформаций базового варианта показал, что перемещение переднего конца шпинделя зависит не только от
собственных деформаций тела шпинделя и деформаций опор. В значительной степени оно определяется подсистемой гильзы, причем, в основном, опорами гильзы.
ОЦЕНКА ВОЗМОЖНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ ИЗМЕНЕНИЙ В ШПИНДЕЛЬНОМ УЗЛЕ
Наличие адекватной математической модели ШУ позволило начать поиск вариантов с улучшенными динамическими характеристиками ШУ, которые могу быть реализованы конструктивно. Варьировались положения подшипников в передней и задней опорах (рис. 3), жесткостные характеристики подшипников качения, а также конструктивные изменения в виде сквозного отверстия в шпинделе.
Рис. 3. Исходная модель шпинделя (пунктирные линии) и модель с улучшенными характеристиками
(основная линия)
Рис. 4. АЧХ исходного (сплошные линии) и улучшенного варианта (пунктирные линии) моделей ШУ
На рис. 4 представлены расчетные АЧХ исходного варианта ШУ и улучшенного варианта. Видно, что вместо трех собственных частот стало две, частота максимального пика увеличилась с 1068 до 1222 Гц, а амплитуда уменьшилась на 15 %. Все это положительно сказывается на виброустойчивости ШУ. Однако недостатком улучшенного варианта является то, что понизилась частота первой формы колебаний с 847 до 640 Гц. Но это не должно вызывать опасений, поскольку амплитуда стала ниже.
Наличие отверстия диаметром 30 мм в шпинделе существенного влияния на собственные частоты и резонансные амплитуды по сравнению со сплошным шпинделем не оказывает.
ВЫВОДЫ
Разработанный программный комплекс 8ртБупа_РЕ позволяет моделировать гильзованные шпиндельные узлы и рассчитывать их частотные характеристики и формы колебаний методом конечных элементов. Использование программного комплекса при моделировании шпиндельного узла шлифовального станка позволило оценить различные варианты конструктивных изменений, оценить влияние жесткост-ных характеристик опор, которые зависят от предварительного натяга в подшипниках, предложить вариант конструкции с улучшенными динамическими характеристиками.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Кудинов В. А. Динамика станков. М.: Машиностроение, 1967. 360 с.
2. Бржозовский Б. М. Стабилизация динамического состояния станка как основа решения задач повышения точности механической обработки деталей // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2006. Т. 3, № 1. С. 61-70.
3. Жиганов В. И. Методика определения технического уровня и качества прецизионных токарных станков на основе динамических показателей // СТИН. 2008. № 3. С. 2-5.
4. Усакин К. С. Моделирование динамического состояния шпиндельного узла прецизионного токарного модуля // Вестник Саратовского государст-
венного технического университета. 2010. Т. 2, № 1. С. 89-97.
5. Щетинин В. С. Математическая модель расчета несущей способности высокоскоростного шпиндельного узла на газомагнитной опоре // Трение и смазка в машинах и механизмах. 2010. №8. С. 31-35.
6. Поляков А. Н. Реализация параметрических моделей в инженерном анализе металлорежущих станков // Технология машиностроения. 2007. № 6. С. 20-23.
7. Игнатьев А. А. Оценка динамического состояния шлифовального станка по автокорреляционным функциям виброакустических колебаний для оптимизации режимов обработки // Вестник УГАТУ. 2009. Т. 12, № 4(33). С. 91-95.
8. Кадыров Р. Р. Метод анализа точности металлообрабатывающих станков с ЧПУ // Вестник МГТУ «Станкин». 2010. № 3 (11). С. 30-34.
9. Сабиров Ф. С. Диагностика, моделирование и расчет шпиндельных узлов станков // Комплект: ИТО. 2009. № 3. С. 52-54.
10. Хомяков В. С. Моделирование и расчет динамических характеристик шпиндельных узлов // Вестник УГАТУ. 2009. Т. 12, № 2(30). С. 76-82.
11. Козочкин М. П. Виброакустическая диагностика опор шпинделей станков для высокоскоростной обработки // СТИН. 2010. № 6. С. 17-21.
12. Хомяков В. С. Об учете демпфирования при динамических рачетах станков // Станки и инструмент. 1990. № 11. С. 4-7.
13. Сабиров Ф. С. Импульсный метод оценки динамических характеристик упругих систем станков // Инженерный журнал. 2009. № 11. С. 38-43.
ОБ АВТОРАХ
Сабиров Фан Сагирович, зав. каф. станков МГТУ «Станкин». Дипл. инженер-механик (УАИ, 1973). Д-р техн. наук по технологиям и оборудованию мех. и физ.-техн. обработки (МГТУ «Станкин», 2009).
Хомяков Вадим Сергеевич, проф. той же каф. Дипл. инженер-механик (МосСТАНКИН, 1956). Д-р техн. наук по технологиям и оборудованию мех. и физ.-техн. обработки (МосСТАНКИН, 1986).
Суслов Денис Николаевич, асп. той же каф. Дипл. магистр техники и технологии (МГТУ «Станкин», 2009).
