Научная статья на тему 'Моделирование гильзованных шпиндельных узлов'

Моделирование гильзованных шпиндельных узлов Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

CC BY
423
112
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ШПИНДЕЛЬНЫЕ УЗЛЫ / МОДЕЛИРОВАНИЕ ШУ / ЧАСТОТНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ШУ / УПРУГИЕ ДЕФОРМАЦИИ / ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ / SPINDLE ASSEMBLIES / MODELING OF SPINDLE ASSEMBLIES / FREQUENCY-RESPONSE CHARACTERISTICS OF A SPINDLE ASSEMBLY / ELASTIC STRAINS / DYNAMIC CHARACTERISTICS

Аннотация научной статьи по механике и машиностроению, автор научной работы — Сабиров Фан Сагирович, Хомяков Вадим Сергеевич, Суслов Денис Николаевич

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.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по механике и машиностроению , автор научной работы — Сабиров Фан Сагирович, Хомяков Вадим Сергеевич, Суслов Денис Николаевич

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Modeling of quill design spindle assemblies

Here under the issues on modeling of a quill design spindle assembly using a method of finite element as well as the issues on software to implement this method are considered. The evaluation of affect of the factors like availability of the center hole in the spindle, arrangement of supporting elements and stiffness of bearings towards dynamic characteristics of the spindle assembly was conducted.

Текст научной работы на тему «Моделирование гильзованных шпиндельных узлов»

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).

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.