Диссертация на тему «Метод оперативной диагностики технического состояния приводов металлообрабатывающих станков», скачать бесплатно автореферат по специальности ВАК РФ 05.02.07 — Автоматизация в машиностроении

Введение

Современные тенденции развития машиностроения характеризуются повышенными требованиями к производительности оборудования, точности размеров, качеству обрабатываемых деталей и снижению себестоимости. Рост производительности сдерживается тем, что на российских машиностроительных предприятиях суммарные затраты за весь период эксплуатации оборудования в четыре-пять раз превышают его первоначальную стоимость. Оперативное определение дефектов металлообрабатывающего оборудования на этапе эксплуатации и технического обслуживания является одной из актуальных задач машиностроительной отрасли. В этом случае используют методы вибродиагностики и виброаккустической диагностики, которые позволяют определить техническое состояние узла металлообрабатывающего оборудования по частоте и амплитуде его вынужденных колебаний. Правильный анализ полученной виброметрической информации возможен лишь при полной информации о динамической системе оборудования и о возможных погрешностях изготовления и сборки узлов оборудования.

Тенденции развития технологических и производственных процессов предъявляют повышенные требования к качеству обрабатываемых поверхностей детали, реализация которых требует применения повышенных режимов обработки деталей машин, что не всегда возможно из-за отсутствия информации о точностных характеристиках используемого оборудования. Поэтому необходимо улучшать методы диагностики технического состояния приводов металлообрабатывающих станков на этапе их эксплуатации, а так же разработать эффективные мероприятия по оценке и повышению точности оборудования. Часто разработчики станков указывают максимальные показатели точности и производительности выпускаемого ими оборудования, которые достигаются при осуществлении отдельных операциях при конкретном

соотношении режимов резания, обрабатываемого материала и используемого режущего инструмента.

Качество поверхности изготавливаемых деталей в значительной степени зависит от технического состояния используемого оборудования. При наличии дефектов изготовления и сборки узлов оборудования происходит ухудшение таких показателей качества, как шероховатость и отклонения формы (волнистость).

Эффективность применяемого станочного оборудования можно существенно повысить с помощью метода оперативной диагностики металлообрабатывающих станков. Такой аппарат должен содержать базу данных и знаний о динамических характеристиках оборудования, о возможных погрешностях изготовления и сборки узлов оборудования и о влиянии погрешностей его изготовления на формообразование поверхности детали, дефектов каждого привода в отдельности и при совместной их работе. Особенно это актуально для многоцелевых станков, осуществляющих многокоординатную обработку детали.

Разработка метода оперативной диагностики технического состояния приводов металлообрабатывающего станка требует установления теоретических зависимостей численных значений спектра неровностей — шероховатости и отклонений формы (волнистости) поверхности детали от относительных колебаний инструмента и заготовки в процессе ее обработки. Для оценки этих колебаний необходимы исследования динамической системы металлообрабатывающих станков с учетом процесса резания, процессов трения в его подвижных сопряжениях и влияния дефектов изготовления и сборки элементов приводов станка. Решение этих актуальных научных задач позволит на стадии проектирования и эксплуатации оценить техническое состояние металлообрабатывающих станков и повысить эффективность их применения в производстве.

Внедрение оперативных методов диагностики позволит:

В период эксплуатации и технического обслуживания оборудования: проводить экспресс-анализ технического состояния станка: определять и при необходимости повышать технологическую точность станка; определять

дефекты, в том числе скрытые, и устранять их на этапе возникновения; прогнозировать износ узлов и деталей станка; планировать сроки проведения ремонта, заказ комплектующих и запчастей для ремонта.

При закупке оборудования: осуществлять входной контроль поставляемого оборудования для определения его соответствия заявленным техническим характеристикам; контролировать техническое состояние оборудования перед завершением срока действия гарантии. В работе получены новые научные результаты: — математическая модель для определения вынужденных колебаний инструмента и обрабатываемой детали с учетом вибровозмущающих воздействий, возникающих в приводах металлообрабатывающих станков;

— метод оценки технического состояния приводов металлообрабатывающих станков с учетом спектра вынужденных колебаний инструмента и обрабатываемой детали, отклонений формы (волнистости) и шероховатости обработанной поверхности детали.

Раздел 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА В РАССМАТРИВАЕМОЙ ОБЛАСТИ И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ РАБОТЫ

Вибродиагностике и виброаккустической диагностике металлорежущего оборудования посвящены работы ученых СТАНКИНа, ЭНИМСа и других научно-исследовательских учреждений: Ф.С. Сабирова, П.М. Козочкина, С.И. Фецака и др. В их трудах полученная виброинформация анализируется по сигналу, снимаемого с узлов станка, оценивается влияние качества изготовления привода главного движения станка на параметры качества поверхности детали (шероховатость и волнистость [88, 90, 92]) и определяются параметры рабочего пространства станка. Исследования базируются на основных положениях технологии машиностроения, конструирования металлорежущих станков, теории колебаний и динамики станков, теории анализа случайных процессов, методах математического и компьютерного моделирования.

1.1 Анализ влияния факторов, обуславливающих вынужденные колебания, на характеристики точности многоцелевого станка и качество изготавливаемых деталей.

Основой теории динамики станков служит классическое представление профессором В. А. Кудиновым динамической системы станка как многоконтурной, замкнутой и энергетически активной системы [56]. При воздействии на динамическую систему внешних возмущений возникают отклонения в относительном положении инструмента и заготовки, которые являются причиной возникновения погрешностей обрабатываемой поверхности детали. Одним из видов внешних воздействий являются силовые кинематические возмущения, связанные с погрешностями вращающих элементов, которые вызывают вынужденные колебания инструмента и обрабатываемой детали. Вследствие относительных колебаний инструмента и

детали на ее обрабатываемой поверхности возникают «волны». В зависимости от шага волн различают погрешность формы (волнистость) и шероховатость. Профессором В.А. Кудиновым [56] получена связь вынужденных колебаний инструмента и детали в процессе резания, т. е. стационарной периодической погрешности формы обрабатываемой детали с колебаниями эквивалентной упругой системы токарного станка на холостом ходу. Однако следует заметить, что им не учитывается влияние вынужденных колебаний на процесс формообразования, который в современных многоцелевых станках является достаточно сложным.

Анализу причин вынужденных колебаний, возникающих в станках, посвящены работы А.П. Соколовского, В.А. Кудинова, Д.Н. Решетова, В.В. Каминской и др., но авторы придерживаются различных взглядов на природу возникновения относительных колебаний инструмента и обрабатываемой детали. Подходы к исследованию источников колебаний можно разбить на две условные группы:

1. Относительные колебания инструмента и обрабатываемой детали, вызванные переменным значением силы трения, возникающей в подвижных частях приводов.

2. Относительные колебания инструмента и обрабатываемой детали, образующиеся вследствие погрешностей изготовления и сборки элементов приводов станка.

Систематизация результатов исследований причин вынужденных колебаний металлорежущих станков (рис.1.1) позволила установить, что характер колебаний и их уровень зависят от погрешностей изготовления и сборки опор качения, элементов приводов, от колебаний фундамента станка, обусловленных работой окружающего оборудования, от колебаний толщины снимаемого припуска с заготовки при устойчивой механической обработке.

Рисунок 1.1- Схема влияния факторов, обусловливающих вынужденные колебания, на характеристики точности многоцелевого станка и качество

изготавливаемых деталей.

Описание процесса формообразования с учетом относительных колебаний инструмента и обрабатываемой детали позволяет получить количественное представление о погрешности обработанной поверхности детали.

1.2 Анализ исследований вынунеденных колебаний металлообрабатывающих станков

Моделирование вынужденных колебаний предполагает решение двух задач: моделирование относительных колебаний инструмента и обрабатываемой детали в радиальном направлении (по нормали к обрабатываемой поверхности) и моделирование относительных колебаний инструмента и обрабатываемой детали в осевом направлении (по направлению подачи при резании). Проведенные исследования показали, что вибровозмущения от элементов и узлов станка вызывают относительные колебания инструмента и обрабатываемой детали в радиальном направлении, а возмущения от сил трения, возникающих в подвижных частях приводов подач — к относительным колебаниям в осевом направлении [2, 11, 18, 36, 90, 93].

1.2.1 Исследование вынужденных относительных колебаний инструмента и обрабатываемой детали в радиальном направлении

Относительные колебания инструмента и обрабатываемой детали в радиальном направлении возникают из-за действия внешних возмущений, источниками которых являются погрешности изготовления элементов и узлов станка, и собственных колебаний элементов оборудования. Поэтому исследования причин возникновения колебаний рассматриваются в двух областях: влияние вибровозмущений, обусловленные погрешностями узлов станка, и вибровозмущения под влиянием динамических свойств станка.

Вынужденные колебания, вызванные возмущениями от приводов вращательного движения, исследованы в работах, В.А. Кудинова, В.А. Авакяна, В.В.Каминской и др.[2, 45, 56]

Разнообразие режимов работы и особенностей функционирования станков обуславливает многообразие воздействий на их упругую систему. К подобного рода возмущениям относятся следующие причины:

— центробежные силы, возникающие при вращении неуравновешанных оправок, приспособлений, шкивов, шпинделей, а так же других элементов привода;

— возмущения, передаваемые на станок через основание от работающего рядом оборудования;

— возмущения от опор качения, обусловленные погрешностями сборки и геометрическими погрешностями изготовления профилей дорожек и тел качения;

— возмущения от привода, обусловленные ошибками в шаге и профиле зубьев, неоднородностью приводных ремней, несоосностью соединительных муфт, магнитными полями в приводном двигателе;

— возмущения от процессов резания.

Значительное число этих возмущений классифицируются как внешние по отношению к упругой системе станка. Эти возмущения составляют 80 — 90 % уровня относительных колебаний заготовки и инструмента, определяющих точность обработки деталей.

Неуравновешенность шпинделя является одним из основных факторов, уменьшающих производительность обработки. Аналитический расчет амплитуд динамических смещений инструмента и обрабатываемой детали относительно друг друга в зависимости от погрешностей изготовления привода главного движения (ПГД) и шпиндельного узла (ШУ) рассмотрен И.А. Зверевым [40]. В его работе используется подход, основанный на предположении о том, что фазы возмущающих сил подчинены закону равномерной плотности распределения в интервале от 0 до 180 град. В этом случае амплитуда колебаний шпинделя в каком-либо сечении от неуравновешенности шпинделя определяется как результат среднеквадратического суммирования всех амплитуд колебаний в данном сечении от действия элементарных узловых дисбалансов.

В работах A.C. Гольдина, B.JI. Герике, А.В, Баркова, Н.А.Барковой и др.[15, 28] рассмотрено влияния дефектов изготовления элементов роторных

машин на вибрацию машины в целом. В них рассмотрены спектры вибрации, возникающие от дефектов изготовления и сборки опор качения, зубчатых передач, электромагнитных процессов в электродвигателях постоянного и переменного тока. Результатом этих исследований является определение частоты вибровозмущения конкретного дефекта роторной машины. Анализ работ, посвященных исследованию влияния дефектов изготовления элементов вращательного движения, позволяет сделать следующие выводы:

1. В работах [1, 11, 16, 32, 39, 82, 90] приведены результаты изучения дефектов изготовления и монтажа опор качения Проанализированы факторы, действующие на рабочие характеристики подшипников, показаны основные методы измерения колебаний в узлах подшипников, а также разработана методика аналитического исследования их характеристик.

Опоры качения являются одним из источников колебаний приводов подач и привода главного движения в станочном оборудовании и, соответственно, изделия и инструмента. Исследования точности вращения валов приводов показали, что к дефектам изготовления подшипников качения, влияющих на его вибрацию, относятся: неровности дорожки качения наружного кольца, неровности дорожки качения внутреннего кольца и неровности поверхностей тел качения. Дефектами монтажа подшипника в подшипниковом узле являются перекос неподвижного кольца подшипника и проскальзывание кольца в посадочном месте.

Работа подшипников качения в составе привода станков может оказывать влияние на вибрацию и модулирующие ее процессы со следующими основными частотами, к которым относятся: частота вращения подвижного кольца относительно неподвижного; частота перекатывания тел качения по наружному кольцу; частота перекатывания тел качения по внутреннему кольцу; частота вращения тел качения относительно поверхности колец.

2. Исследование влияния дефектов изготовления механических передач на вибрацию привода показали, что источниками вибрации являются дефекты муфты (несоосность муфты, износ зубьев и т.д.), дефекты зубчатой передачи

(дефекты зубчатых колес и их зацепления), дефекты ременной передачи, например, биение шкивов. В работе B.C. Хомякова [91] ременная передача рассмотрена как замкнутая динамическая система, являющаяся частью упругой системы станка. В работах [4, 26], посвященных колебаниям зубчатых передач, рассмотрены также методы расчета динамических нагрузок в зубьях с точки зрения прочности и шума передач.

3. Дефекты, возникающие в электромагнитной системе электрической машины при ее изготовлении, монтаже и эксплуатации, влияют на электромагнитное поле в зазоре машины, переменные составляющие которого создают колебательные силы и моменты, а те, в свою очередь, вибрацию ротора и статора. Вибрация машины определяется не только колебательной силой, но и механическим сопротивлением ротора и статора, которое на несколько порядков ниже при ее возбуждении пульсирующими моментами, чем радиальными электромагнитными силами. Как следствие отмечается, что соответствующие составляющие вибрации электрических машин при появлении дефектов в электромагнитной системе имеют в первом случае более высокий уровень, чем во втором. Замечено, что составляющие тока или электромагнитного поля при наличии дефектов изменяются в гораздо меньшей степени, чем возбуждаемая ими вибрация.

Таким образом, многочисленные исследования показывают, что вынужденные колебания в металлорежущем оборудовании существенно зависят от дефектов изготовления и монтажа элементов конструкции их приводов.

Вынужденные колебания несущих систем станков в зависимости от способов установки станка, а также влияние колебаний фундамента на точность станков рассмотрены в работах [35, 44, 43, 91].

Исследование динамических свойств несущей системы станка проводится при помощи моделей. Важнейшим этапом моделирования является разработка расчетной схемы несущей системы станка. Расчет с помощью универсальных моделей требует учитывать в их структуре упругие, диссипативные и

инерционные характеристики многочисленных элементов и связей, что существенно усложняет модель. Упрощение расчетной схемы производят путем анализа основных форм собственных колебаний упругой системы станка, полученных экспериментально при использовании схемы нагружения, близкой к моделируемой [47, 65]. Построение расчетных схем упругой системы станка по экспериментально полученным формам собственных колебаний позволяет учитывать минимально необходимое и экспериментально обоснованное количество степеней свободы.

Использование современных систем расчета собственных колебаний упругой системы станка позволяет получить спектр вибрации узлов станка и его несущей системы. В основе алгоритмов расчета таких систем лежит метод конечных элементов [6].

В работе B.C. Хомякова [91] разработаны алгоритм и соответствующее программное обеспечение для автоматического формирования динамических моделей упругих систем станков, метод моделирования динамики упругих систем станков, допускающий их разбиение на подсистемы из конструктивных соображений с возможностью отдельного учета вклада каждой подсистемы при формировании модели всей системы. Предложен базис структурных элементов станков, метод параметрического синтеза несущих систем станков. Отмечено, что степень детализации расчетной схемы определяется необходимостью отразить в ней те элементы конструкции, параметры которых могут существенным образом повлиять на динамические характеристики упругой системы станка. Для этого достаточно в качестве минимальных элементов базиса структур иметь стержневые элементы, массы и пружины.

Исследования направляющих качения проводились в ЭНИМСе. Анализ динамических процессов и действия сил трения представлены в статье [3]. В ний высказаны только предположения о причинах возникновения вибраций при работе направляющих в составе привода подач.

Исследования вибрационных характеристик шарико-винтовых пар в составе приводов подач металлорежущего оборудования не представлены в научно-технической литературе.

В работе A.B. Пуша и И.А. Зверева [41] разработан алгоритм комплексного моделирования шпиндельных узлов на основе методов расчета, учитывающих многообразие особенностей конструкций и условий эксплуатации узла, а также взаимное влияние характеристик и различных факторов. Авторы отмечают, что создание математической модели, учитывающей все факторы, не представляется возможным, поэтому при решении технических задач следует определить основные исходные параметры и выходные характеристики. На основе анализа конструкций шпиндельных узлов и условий их эксплуатации выделены следующие группы исходных параметров:

— конструкционные (компоновка узла, геометрия деталей, свойства материалов деталей, осевые натяги в подшипниках и др.);

— технологические (погрешность изготовления и сборки деталей);

— эксплуатационные (сила резания, частота вращения, физико-технические параметры смазки и др.).

В качестве выходных характеристик модели использованы следующие показатели:

— характеристики точности вращения шпинделя;

— предельная быстроходность и долговечность опор;

— статические и динамические характеристики.

Динамическая система станка, включает в себя шпиндельный узел совместно с оснасткой и обрабатываемой деталью, а также привод главного движения и несущую систему. Динамическую систему станка представляют в виде динамической линейной конечно-элементной модели, состоящей из изгибно-крутильных упругих стержневых элементов, сосредоточенных упругих элементов, твердых тел и сосредоточенных масс. В качестве конечного элемента используется двухузловой балочный элемент — стержень

постоянного сечения с распределенными упругими, инерционными и диссипативными параметрами. Результатом моделирования является точность вращения шпинделя, вибровозмущения от узлов привода главного движения в модели не учитываются.

В статье В.А. Кудинова [55] рассмотрены общие принципы подхода к моделированию высокоточных станков. Автор отмечает, что при создании высокоточных станков необходимо создать модель, которая учитывает следующие факторы:

— температурные поля и тепловые деформации конструкции;

— характеристики и свойства стыков;

— параметры опор и направляющих;

— динамические процессы в подвижных деталях и узлах;

— модель процесса резания.

Составленная таким образом модель позволит исследовать точность станков и точность изготавливаемых на нем деталей, однако в работе даны только рекомендации по созданию многофакторной модели. Модель, разработанная по принципам, описанным выше, окажется сложной. При ее упрощении учесть все факторы не представляется возможным.

1.2.2 Исследование вынужденных относительных колебаний инструмента и обрабатываемой детали в осевом направлении

Влияние процессов трения в подвижных частях металлорежущего оборудования на формообразование поверхности рассмотрены в работах [8, 9, 79, 84, 90, 93]. Отклонения формообразующего движения, возникающие в процессе обработки, приводят к тому, что подача является переменной величиной, при этом возникают относительные колебания инструмента и обрабатываемой детали по направлению движения инструмента.

Существуют различные взгляды на природу возникновения такого характера перемещения подвижной части привода. В работе Л.К. Кучмы [63]

предполагается, что первичными источниками колебаний являются переменные силы трения на передней и задней поверхности инструмента. Автором [13] показано, что колебания с периодическими остановками и скачками обусловлены превышением силы трения покоя над трением движения. Перемещение суппорта токарного станка с учетом силы трения, зависящей от скорости, описывается в трудах [54, 94]. Однако при составлении модели перемещения суппорта не учитывается демпфирование системы, что влияет на точность представленной модели.

В работах [56, 58] математическая модель включает нелинейную характеристику силы трения. Динамическая система станка — замкнутая, учитывающая динамические характеристики привода подач (масса, жесткость, демпфирование).

Модель движения привода подач токарного станка разработана с учетом сил трения О.В. Чечугой [93]. Исследовав привод подач станка при различных условиях его работы, автор сделал вывод, что скачкообразное движение суппорта станка будет влиять на изменение подачи, что в свою очередь приведет к изменению профиля обрабатываемой детали. Исходя из этого, был разработан теоретический профиль обработанной поверхности с переменной подачей при точении, в котором не были учтены факторы, влияющие на изменение глубины резания, и влияние глубины резания на качество обрабатываемой поверхности детали.

1.2.3 Исследование влияния силы резания на возникновение вынужденных относительных колебаний инструмента и обрабатываемой детали

Возмущения от процессов резания изучены в работах В.Н. Подураева, А.П. Соколовского, В.А. Кудинова, Кумабэ Д. и др. [57, 62, 76] Показано, что неравномерность толщины снимаемого с заготовки припуска, колебания твердости материала заготовки и другие факторы приводят к колебаниям силы

резания, которые вызывают колебания упругой системы станка. Одним из способов снижения вибраций при резании является увеличение жесткости системы «станок-приспособление-инструмент-деталь» (СПИД), другим -применение вибрационного резания [62, 76].

В работах [33, 57, 59, 60] было установлено, что основной причиной возникновения колебаний является изменение толщины срезаемого материала и, следовательно, силы резания. Были разработаны теоретические положения, в которых относительные колебания инструмента и детали рассматриваются как сочетание взаимосвязанных колебаний по обобщенным координатам системы. Динамическая система станка рассмотрена как замкнутая и многоконтурная. Однако при этом сделано допущение о том, что суппорт станка является абсолютно жестким и не оказывает влияние на перемещение инструмента.

Кумабэ Д. экспериментально доказал [62], что при скорости резания выше оптимальной сила резания будет изменяться по некоторому периодическому закону с частотой и амплитудой, определяемой по толщине стружки.

В работах [62, 77] сделано заключение о том, что причиной возникновения колебаний при резании является запаздывание изменения силы резания при изменении толщины снимаемого слоя.

Работы В.А. Кудинова [57, 61] показывают, что основной причиной, вызывающей появление относительных колебаний, является различие условий резания при его врезании в металл и при отталкивании под действием слоя повышенной твердости. Автор приводит уравнения, описывающие автоколебательный процесс системы, решения которых позволяют сделать выводы о влиянии процесса резания на частоту и амплитуду колебаний.

1.3 Анализ исследований влияния относительных колебаний инструмента и обрабатываемой детали на качество обработанной поверхности детали при механической обработке

Одним из главных показателей, характеризующих технические возможности металлообрабатывающих станков, является качество поверхности обработанных деталей. В работе В.А. Кудинова [57] доказано, что в зависимости от частотного состава колебаний и скорости относительного движения инструмента и обрабатываемой детали изменяется качество обрабатываемой поверхности детали (погрешность формы (волнистость) и шероховатость). При малой скорости резания и высокой частоте колебания шаг волн на поверхности мал и колебания влияют на шероховатость обработанной поверхности. При большой скорости резания и низкой частоте колебаний происходит образование погрешности формы (волнистости) поверхности.

Автор отмечает, что, так как погрешности формы обработанной поверхности детали определяются относительными смещениями инструмента и детали по нормали к обработанной поверхности, то вынужденные колебания также необходимо рассматривать в этом направлении. В работе [57] также делается вывод о прямой связи уровня неровностей поверхности детали с запасом устойчивости динамической системы станка. Амплитуда волны на поверхности детали А/ равна амплитуде колебаний станка при холостом ходе Ах*, деленной на безразмерный коэффициент устойчивости Азн по внешнему воздействиюдля заданной частоты со.

Одной из первых попыток теоретического описания процесса влияния относительных колебаний инструмента и обрабатываемой детали при точении на погрешности обработанной поверхности являются работа ВаЬшапп [97]. Ограничившись рассмотрением режима моногармонических колебаний при относительном движении резца и обрабатываемой детали, он получил результаты, показывающие особенности влияния частоты и амплитуды относительных колебаний на параметры шероховатости и некруглости

обрабатываемых деталей. Было доказано, что решающим фактором, влияющим на форму и размер обработанной поверхности детали, является отношение частоты относительных колебаний к частоте вращения заготовки в процессе обработки детали.

ВеЛЬоМ в работе [98] исходил из того, что траектория смещения оси вращения заготовки в её поперечном сечении известна. Используя траекторию этих смещений, автор определял контур профиля поперечного сечения обработанной поверхности детали. Он считал, что причиной смещения оси является центробежная сила, величина которой зависит от дисбаланса, числа оборотов или эксцентриситета установочной базы заготовки. При этом возникает отклонение от круглости, величина которого зависит от дисбаланса или эксцентриситета установки заготовки.

Однако, в работах Ю.И. Ляндона [68] и Боёос [37] было доказано, что при отношении основной частоты колебания резца и обрабатываемой детали к частоте вращения шпинделя д =///„ = 1 отклонение от круглости пренебрежимо мало, также как и отклонение диаметра.

Ооёос рассматривал влияние траектории смещения оси вращения заготовки относительно вершины резца на погрешности размера, формы и положения профиля поперечного сечения обработанной поверхности при точении. В своей работе [37] он предложил графические методы построения профиля поперечного сечения обработанной точением поверхности по известной траектории смещений оси вращения заготовки относительно вершины резца. Следует заметить, что для построения профиля поперечного сечения детали при относительных колебаниях инструмента и обрабатываемой детали предложенные графические методы не применимы, т.к. полученные расчётом погрешности обработанной детали значительно отличаются от получаемых в действительности, что связано со значительными упрощениями модели процесса формирования погрешностей обработки.

В работе Ю.И. Ляндона [68] рассмотрена задача преобразования моногармонических относительных колебаний инструмента и обрабатываемой

детали при точении и шлифовании в погрешности обработанных поверхностей детали. Исследовано влияние на форму профиля детали отношения частоты вынужденных относительных колебаний заготовки инструмента к частоте вращения детали. В работе подчёркивается, что при обработке деталей на токарных станках имеет место чрезвычайное многообразие частот вращения заготовок, а также источников возмущения вынужденных колебаний. Поэтому окончательные рекомендации дать затруднительно.

В основу рассмотренных методов положен анализ влияния колебаний резца по нормали относительно оси заготовки при обработке на погрешности положения точек следа вершины резца на обработанной поверхности относительно оси установочной базы заготовки. При точении с продольной подачей процесс формообразования более сложен.

В работе [84] рассмотрено построение расчетной модели процесса формообразования при продольном точении. Автором принято допущение, что относительные смещения инструмента и обрабатываемой детали по нормали к обрабатываемой поверхности существенно преобладают над остальными составляющими перемещений.

В процессе обработки относительные перемещения приводят к изменению расстояния от вершины резца до оси вращения заготовки, т.е. радиус настройки является функцией времени, и его изменение при продольном точении приводит к отклонению вершин витков как в радиальном, так и в осевом направлениях.

На нелинейность преобразования оказывает влияние наличие радиуса при вершине резца в плане и вспомогательного угла резца в плане. Поэтому это свойство процесса формообразования может приводить к несоответствию спектров профиля поперечного сечения, обработанных точением с малой подачей поверхностей и спектров относительных колебаний заготовки и инструмента, как по частотному составу, так и по уровню спектральных составляющих. В работе [46] разработана методика расчетной оценки влияния относительных колебаний инструмента и обрабатываемой детали при точении

на нормируемые показатели точности обработка детали. В результате расчета оказалось возможным получение следующих показателей точности обработки:

— наибольшего отклонения размера (диаметра) А, м;

— наибольшего отклонения от круглости Аг профиля поперечного сечения, мм;

— погрешности расположения — отклонения от концентричности профиля поперечного сечения.

В работе В.А. Прилуцкого [79] рассмотрено влияние вибрации на образование волнистости. Сделан вывод, что шаг волн, образующихся на поверхности детали, и период колебания траектории примерно равны; увеличение амплитуды относительных колебаний инструмента и детали еще не означает увеличение высоты волн на детали; наибольшая волнистость возникает на валах меньшего диаметра; при большой жёсткости заготовки распределение волнистости по её длине обусловлено соотношением жесткостей заделки переднего и заднего центров, бабок, суппортной группы, жёсткости режущего инструмента и его крепления. Показано, что если на поверхности обрабатываемой детали уже имелись волны, то при обработке этой детали фактическая глубина резания будет неравномерной, периодически изменяющейся. Это явление приводит к развитию в системе СПИД автоколебаний, частота которых близка к частоте свободных колебаний одного из элементов системы СПИД и связана с шагом исходных волн. Автоколебания приводят к образованию на поверхности детали волнистости с меньшим шагом, чем волнистость, вызванная вынужденными колебания со значительной высотой волн.

Анализ литературы показывает, что исследования влияния колебаний токарных станков на отклонения формы обработанных деталей проводились также при помощи натурного эксперимента, однако в них уделено недостаточное внимание изучению механизма преобразования колебаний станка в погрешность обработки детали, а поэтому результаты носят частный экспериментальный характер.

Моделирование вибраций любой колебательной системы предполагает рассмотрение не только источников вибровозмущений, но и динамических свойств данной системы, характеризуемых передаточной функцией, связывающей вибровозмущения и виброперемещения.

В работе М.М. Аршанского и В.П. Щербакова [9] проанализирована динамика процесса формообразовании поверхности детали, что позволило им предложить передаточные функции, связывающие параметры точности обработки и относительные вибросмещения инструмента и обрабатываемой детали. Отмечено, что погрешности относительного положения инструмента и обрабатываемой детали не копируются непосредственно на обработанную поверхность. Кроме того, параметры микрорельефа (вид рисунка и высота неровностей) зависят от формы режущих кромок инструмента, характера относительных вибросмещений, а также формы предыдущей волны на поверхности детали в момент образования последующей.

Влияние погрешностей изготовления привода главного движения токарного станка и его динамической системы на образование неровностей поверхности детали при точении исследовано С.И. Фецаком [90]. Автор приводит доказательства того, что при совпадении частоты вынужденных колебаний с собственной частотой элементов динамической системы станка, амплитуда неровностей на поверхности детали возрастает. Это позволило разработать математическую модель стационарных вынужденных колебаний приводов главного движения токарных станков, находящихся под воздействием вынужденных колебаний, и составить методику расчета параметров неровностей поверхности детали в поперечном сечении для продольного точения. В работе также приведена методика расчетного определения высоты неровностей.

Проведенный анализ работ в области исследования технического состояния металлообрабатывающего оборудования позволяет сделать следующие выводы:

1 в работах даны общие рекомендации, которые можно использовать при разработке многокритериальной динамической модели металлообрабатывающего станка;

2 разработана теория вибровозмущений, возникающих в роторных механизмах, однако недостаточное внимание уделено исследованию механизмов линейного перемещения: передачи винт-гайка качения и направляющих качения;

3 исследования процессов трения проводились на основе моделирования перемещения рабочих органов для токарных станков с горизонтальной компоновкой. Тенденции развития станкостроения приводят к новым конструктивным решениям, в частности, к использованию направляющих качения, имеющих малый коэффициент трения и низкое демпфирование, что свидетельствует о необходимости корректировки существующей модели;

4 разработаны методики определения функции формообразования поверхности, но в них не учитываются относительные отклонения инструмента и заготовки в процессе обработки. Для формирования расчетного спектра неровностей обрабатываемой поверхности на современном металлообрабатывающем станке, необходимо установить аналитическую зависимость, которая учитывала бы не только исполнительные движения узлов и станка, но и относительные колебания инструмента и обрабатываемой детали;

5 работа многоцелевого станка при обработке детали предполагает одновременную работу нескольких приводов, что приводит к возникновению вибровозмущений, действующих в различных направлениях. Таким образом, моделирование относительного перемещения инструмента и обрабатываемой детали является многокритериальным, и оно должно учитывать одновременную работу приводов подач и работу привода главного движения.

1.4. Цель и задачи работы

На основании проведенного анализа работ в области оценки технического состояния металлообрабатывающих станков и качества обработанной поверхности сформулирована цель работы:

разработка метода оперативной диагностики технического состояния металлообрабатывающих станков на основе моделирования и анализа вынужденных колебаний системы «станок — инструмент — деталь» с учетом процесса формообразования поверхности детали.

Для достижения установленной цели в диссертационной работе были поставлены следующие задачи:

1) математическое описание внешних возмущающих воздействий, обусловленных погрешностями приводов металлообрабатывающих станков и вызывающих относительное смещение инструмента и обрабатываемой детали;

2) разработка математической модели вынужденных колебаний инструмента и обрабатываемой детали с учетом динамических процессов, протекающих в приводах металлообрабатывающих станков, сил трения и внешних возмущающих воздействий;

3) исследование закономерностей формирования отклонений формы (волнистости) и шероховатости поверхностей деталей в зависимости от дефектов приводов подач многоцелевых станков;

4) разработка метода оценки технического состояния приводов металлообрабатывающих станков на основе измерения спектра вынужденных колебаний узлов и отклонений формы (волнистости) и шероховатости обработанной поверхности детали.

Раздел 2 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ВИБРОВОЗМУЩЕНИЙ ОТ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ПРИВОДОВ МЕТАЛЛООБРАБАТЫВАЮЩИХ СТАНКОВ.

В данном разделе систематизированы возможные погрешности изготовления и сборки элементов и узлов металлообрабатывающих станков, которые могут являться источниками вибровозмущений в их приводах. В качестве основных параметров вибровозмущающих силовых воздействий приняты амплитуда и частота.

Рассмотрены следующие источники колебания узлов приводов металлообрабатывающего станка: неуравновешенность шпинделя и деталей его привода; погрешности изготовления и сборки опор качения, направляющих качения, передачи винт-гайка качения; погрешности изготовления и сборки зубчатых и ременных передач; погрешности изготовления и сборки элементов электродвигателей.

Разработанные математические модели указанных источников колебаний представляют собой амплитудно-частотные спектры разложения в ряд Фурье выражений возмущающих сил.

2.1 Неуравновешенность элементов шпиндельных узлов и приводов подач

Детали приводов подач и приводов вращательного движения металлообрабатывающих станков балансируют с точностью, зависящей от класса точности станка и соответствующей одному из классов точности балансировки по ГОСТ 22061-76.

Центробежную силу, возникающую от неуравновешенности узла можно представить в виде зависимости

Рц = ыгмест,

где со — частота вращения, Гц, М- масса рассматриваемого узла привода, кг, ест — амплитуда гармоники дисбаланса относительно оси вращения, мм (удельный дисбаланс) [1].

С учетом результатов исследований, приведенных в работе [41], принято допущение, что фазы возмущающих сил (в данном случае центробежных) подчинены закону равномерной плотности распределения в интервале от 0 до 2п.

2.2 Вибровозмущения в подшипниках качения

В современных металлообрабатывающих станках применяются высокоточные подшипники, которые работают при отсутствии загрязнений и грубых дефектов изготовления. Вследствие этого основными источниками вибровозмущений являются погрешности макрогеометрии дорожек и тел качения [15, 28], а также посадки подшипника на вал и в корпус.

Теория неидеальных радиально-упорных шарикоподшипников с погрешностями макрогеометрии приведена в работах [15, 28, 39]. Амплитудный спектр радиальных вибровозмущений, генерируемых радиально-упорными подшипниками представлен в таблице 2.1 [39, 40].

По своей сути модель вибровозмущений, генерируемых шарикоподшипниками, представляет собой связь двух типов амплитудных спектров: на входе — амплитудные спектры дорожек колец о^, ах, и шариков а^: на выходе — амплитудный спектр радиальных вибровозмущающих сил. В работе [11] показано, что спектр волнистости дорожек качения и шариков близок к гиперболе.

Таблица 2.1 — Вибровозмущения в подшипниках качения

Формулы для определения

Наименование Номера Частоты Амплитуды

дефекта, гармоники возмущения, возмущения,

порождающего Гц Н

возмущение

Волнистость Л=кп 1 а-и/н

наружного кольца Х=кп-1,к=1,2… а Шн

Волнистость Х~ кп 1, к=0,1… х/в /н

внутреннего кольца Х=кп-1,к=1,2… Х1в /я

Волнистость наружного и Х х 1= кп Х х~1= кп ¥н-х/в /н ¥н-х/в~/н Ку — (адт)алах

внутреннего кольца X-x l = кп, Ун х/в /я

к=1,2…