Дем'яненко Сергій Касьянович. Розробка методології конструювання гідростатично-гідродинамічних шпиндельних опор металорізальних верстатів з підвищеними показниками жорсткості

brief description

Дем'яненко Сергій Касьянович. Розробка методології конструювання гідростатично-гідродинамічних шпиндельних опор металорізальних верстатів з підвищеними показниками жорсткості: Дис... канд. техн. наук: 05.03.01 / Національний технічний ун-т України "Київський політехнічний ін-т" ; Ізмаїльський держ. гуманітарний ун-т. - К., 2002. - 169арк. - Бібліогр.: арк. 158-167.

Дем’яненко С.К. Розробка методології конструювання гідростатично-гідродинамічних шпиндельних опор металорізальних верстатів з підвищенними показниками жорсткості. Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.03.01. Процеси механічної обробки, верстати та інструменти. Національний технічний універститет України "Київський політехнічний інститут", Київ 2002 рік.
Метою роботи є розробка методології яка полягає в обґрунтуванні прогресивних конструктивних рішень гідростатично-гідродинамічних шпиндельних опор металорізальних верстатів на основі сформульованих теоретичних положень розрахунку статичних та динамічних характеристик підшипників, врахування особливостей конструкторського і технологічного забезпечення розробки та дослідної апробації запропонованих конструктивних рішень шпиндельних опор з підвищенними показниками жорсткості.
Розроблено розрахунковий комплекс для визначення основних характеристик гідростатичного підшипника верстата. Який враховує випадкові зміни мікро- і макрогеометрії форми поверхні підшипника. Форма поверхні визначена як сукупність гармонік розкладу в ряд Фур’є просторової циліндричної поверхні підшипника, яка взаємодіє через шар мастила (оливи) із циліндричною поверхнею шийки шпинделя верстата.
Теоретично обґрунтовано і перевірено експериментально можливість одержання спеціальної форми робочої поверхні вставки підшипника шляхом обробки заготовки вставки на верстаті, оснащеному пружною борштангою. Встановлено особливості формування рельєфу робочої поверхні вставки, який забезпечує ефективні умови її роботи в складі конструкції гідростатично-гідродинамічного підшипника.

1. Доведено, що прогресивними конструктивними схемами шпиндельних опор є опори, що включають гідростатично-гідродинамічні підшипники. При цьому гідростатичні опори сприймають радіальні і осьові навантаження, а гідродинамічні опори служать в основному для сприйняття моментних навантажень, обумовлених деформацією шпинделя в радіальних відносно осі його обертання площинах.
2. Встановлено, що для дослідження шпиндельних вузлів верстатів необхідно використати спеціальну методику, яка базується на порівнянні показників жорсткості шпиндельних опор, точності обробки та динамічної якості трьох верстатів, які мають опори різних типів, а саме: підшипники кочення; гідростатичні підшипники та гідростатично-гідродинамічні підшипники. Для порівняння показників точності обробки деталей та динамічної якості верстатів найбільш доцільно використати методи спектрального аналізу із застосуванням лінійчатих спектрів амплітуд розкладу обробленої поверхні в ряд Фур’є.
3. Встановлено, що форму зазору між шийкою шпинделя і отвором гідростатичного підшипника доцільно описати функціональними рядами, складеними із гармонічних функцій. Коефіцієнти рядів підбираються таким чином, щоб описати зазори на лівому і правому краях підшипника. Перші гармоніки розкладу зазору в функціональні ряди враховують не лише похибки геометрії отвору, а і зміщення шийки шпинделя відносно отвору підшипника.
4. Положення, яке займає шпиндель в отворі підшипника визначається із умови рівноваги сил тиску і зовнішніх навантажень. Для ідеальної циліндричної шийки шпинделя це положення залежить лише від похибок геометрії отвору і є фіксованим. Воно визначається із умови рівноваги шпинделя під дією системи сил, обумовлених тиском рідини в карманах підшипника.
5. Наявність випадкових похибок геометрії отвору підшипника приводить до виникнення відмінності характеристик жорсткості підшипника при прикладенні навантаження в двох взаємно-перпендикулярних напрямках. Характеристики жорсткості в різних напрямках відрізняються на 5...10 % від середнього значення. Характеристика гідростатичного підшипника є нелінійною. При малих значеннях переміщення шийки шпинделя відрізок характеристики мало відрізняється від лінійного.
6. Гідродинамічний підшипник, утворений пружними вставками, поміщеними в кармани підшипника, суттєво поліпшує загальну характеристику жорсткості підшипника, виключає необхідність використання кольорових металів для виготовлення корпусу підшипника. Шпиндельний вузол верстата із гідростатично-гідродинамічним підшипником має статичну жорсткість 1,5 кН/мкм, що приблизно в 2 рази вище ніж жорсткість шпиндельного вузла верстата із гідростатичним підшипником.
7. Показники точності обробки верстата із гідростатичним підшипником по параметру некруглості в 34 рази перевищують показники точності верстата з підшипниками кочення. Гідростатично-гідродинамічні шпиндельні опори верстата забезпечують суттєве підвищення поперечно-кутової жорсткості шпинделя в радіальній площині. Це проявляється в підвищеній точності обробки деталей по параметру нециліндричності. Зокрема непрямолінійність твірної на довжині 25 мм досягає 3 мкм, що в 23 рази вище аналогічно параметра для гідростатичної шпиндельної опори.
8. Порівняння спектрів контурів поверхонь, оброблених на верстаті з підшипниками кочення, з гідростатичними підшипниками та з гідростатично-гідродинамічними підшипниками, показало суттєве зниження амплітуд складових гармонік поверхні, обробленої на верстаті із гідростатично-гідродинамічним підшипником.
9. Розроблена конструкція дослідного зразка гідростатично-гідродинамічного підшипника, взаємозамінна із наявною конструкцією передньої опори шпинделя верстата КА280 із підшипником кочення показала високу ефективність і може бути виготовлена в умовах верстатобудівного підприємства без застосування дорогих і дефіцитних кольорових металів.
10. Пружні вставки в карманах гідростатичного підшипника забезпечують відсутність контактів пар тертя ”сталь по сталі і, відповідно, відсутність зносу робочих поверхонь гідростатичного підшипника.
11. Теоретичне обґрунтування можливості виготовлення поверхні вставок гідродинамічного підшипника точінням з використанням пружної борштанги підтверджено дослідною апробацією у виробничих умовах. Це дає можливість сформувати спеціальний рельєф форми вставки, який підвищує несучу здатність підшипника.