Бойко Ігор Андрійович Підвищення дина­мічної якості високошвидкісних багатоцільових верста­тів

Краткое описание

Бойко Ігор Андрійович, заступник начальника цеху 61 з технічної частини АТ «Мотор Січ»: «Підвищення дина­мічної якості високошвидкісних багатоцільових верста­тів» (05.03.01 - процеси механічної обробки, верстати та інструменти). Спецрада К 14.052.02 у Житомирсько­му державному технологічному університеті

Запорізький національний технічний університет
Міністерство освіти і науки України
Житомирський державний технологічний університет
Міністерство освіти і науки України
Кваліфікаційна наукова
праця на правах рукопису
Бойко Ігор Андрійович
УДК 621.9.06:621.9-112.6
ДИСЕРТАЦІЯ
ПІДВИЩЕННЯ ДИНАМІЧНОЇ ЯКОСТІ ВИСОКОШВИДКІСНИХ
БАГАТОЦІЛЬОВИХ ВЕРСТАТІВ
05.03.01 – Процеси механічної обробки, верстати та інструменти
13 – Механічна інженерія
Подається на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук
Дисертація містить результати власних досліджень. Використання ідей,
результатів і текстів інших авторів мають посилання на відповідне джерело
_______________І.А.Бойко
Науковий керівник: Івщенко Леонід Йосипович
доктор технічних наук, професор
Запоріжжя, 2018

ЗМІСТ
ПЕРЕЛІК УМОВНИХ СКОРОЧЕНЬ.................................................................. 22
ВСТУП ................................................................................................................... 23
РОЗДІЛ 1. СУЧАСНИЙ СТАН ДОСЛІДЖЕННЯ ДИНАМІЧНОЇ ЯКОСТІ
БАГАТОЦІЛЬОВИХ ВЕРСТАТІВ...................................................................... 29
1.1. Застосування, призначення та експлуатаційні властивості
високошвидкісних багатоцільових верстатів..................................................... 29
1.2. Вплив коливань в технологічній обробляючій системі на якість обробки і
стійкість різального інструменту......................................................................... 34
1.2.1. Поняття і показники динамічної якості верстатів ................................... 34
1.2.2. Види коливань в динамічній системі верстата ........................................ 36
1.3. Особливості обробки важкооброблюваних матеріалів на БЦВ в умовах
авіадвигунобудівного виробництва..................................................................... 38
1.4. Динамічний аналіз елементів системи багатоцільового верстата. Методи
дослідження динамічних характеристик БЦВ ................................................... 39
1.4.1. Експериментальні методи визначення частот власних коливань .......... 39
1.4.2. Метод визначення ЧВК за допомогою ударного збудження ................. 41
1.4.3. Метод визначення ЧВК з використанням віброзбудника коливань...... 43
1.4.4. Визначення ЧВК за допомогою метода скінчених елементів ................ 46
1.4.5. Математичне моделювання і модальний аналіз БЦВ ............................. 47
1.5.1. Математичне моделювання та модальний аналіз несучих систем ........ 47
1.5.2. Математичне моделювання та модальний аналіз високошвидкісних
шпиндельних вузлів .............................................................................................. 51
1.5.3. Математичне моделювання і аналіз поворотних столів ......................... 58
1.6 Структурно-логічна схема дослідження....................................................... 61
ВИСНОВКИ ЗА РОЗДІЛОМ 1 ............................................................................ 62
МЕТА ТА ЗАВДАННЯ ДОСЛІДЖЕННЯ.......................................................... 63
РОЗДІЛ 2. ОБ’ЄКТ І МЕТОДИ ДОСЛІДЖЕННЯ............................................. 65
2.1. Загальні положення дослідження динамічних характеристик
багатоцільових верстатів ...................................................................................... 65
18
2.2. Програмно-апаратний комплекс для дослідження динамічних
характеристик багатоцільових верстатів ............................................................ 67
2.2.1. Особливості побудови геометричних моделей........................................ 70
2.2.2. Динамічний аналіз БЦВ методом скінчених елементів .......................... 70
2.3. Динамічний аналіз несучої системи багатоцільового верстата методом
скінчених елементів .............................................................................................. 75
2.4. Конструктивно-функціональні особливості, що враховуються при
динамічному аналізі шпиндельних вузлів багатоцільових верстатів.............. 84
2.5. Динамічний аналіз поворотного стола багатоцільового верстата методом
скінчених елементів .............................................................................................. 88
2.6. Методика експериментального дослідження динамічної якості
багатоцільового верстата...................................................................................... 91
2.6.1. Експериментальна установка..................................................................... 91
2.6.2. Порядок проведення експериментального дослідження ЧВК ............... 94
ВИСНОВКИ ЗА РОЗДІЛОМ 2 ............................................................................ 97
РОЗДІЛ 3. ДОСЛІДЖЕННЯ ДИНАМІЧНИХ ХАРАКТЕРИСТИК
БАГАТОЦІЛЬОВОГО ВЕРСТАТА .................................................................... 98
3.1. Дослідження динамічних характеристик несучої системи БЦВ............... 98
3.1.1. Визначення амплітуди коливань, частот і форм власних коливань
БЦВ......................................................................................................................... 98
3.1.2. Вплив зміни положення рухомих вузлів БЦВ на величину частоти
власних коливань несучої системи.................................................................... 102
3.1.3. Вплив зміни положення рухомих вузлів БЦВ на амплітуду коливань
переднього кінця шпинделя ............................................................................... 103
3.1.4. Вплив ваги рухомих вузлів БЦВ на частоту власних коливань несучої
системи ................................................................................................................. 107
3.1.5. Вплив зміни жорсткості складових елементів несучої системи БЦВ на
частоту власних коливань .................................................................................. 107
3.1.6. Вплив схеми встановлення БЦВ і кількості опор на частоту власних
коливань і амплітуду коливань переднього кінця ШВ ................................... 108
19
3.2. Дослідження динамічних характеристик шпиндельних вузлів
багатоцільових верстатів .................................................................................... 112
3.2.1. Розрахунок величини радіальної і осьової жорсткості радіальноупорних підшипників кочення........................................................................... 112
3.2.2. Розрахунок амплітуди коливань, частот і форм власних коливань
шпиндельного вузла............................................................................................ 114
3.2.3 Спрощення скінчено-елементної математичної моделі шпиндельного
вузла...................................................................................................................... 117
3.3. Дослідження динамічних характеристик поворотного стола
багатоцільового верстата.................................................................................... 119
3.3.1. Визначення амплітуди коливань, частот і форм власних коливань
поворотного стола ............................................................................................... 119
3.3.2. Вплив зміни жорсткості складових елементів поворотного стола БЦВ
на ЧВК для двох робочих положень моста ...................................................... 126
ВИСНОВКИ ЗА РОЗДІЛОМ 3 ......................................................................... 131
РОЗДІЛ 4. АНАЛІЗ РЕЗУЛЬТАТІВ ДОСЛІДЖЕННЯ ДИНАМІЧНИХ
ХАРАКТЕРИСТИК БАГАТОЦІЛЬОВОГО ВЕРСТАТА............................... 133
4.1. Аналіз результатів дослідження динамічних характеристик шпиндельних
вузлів БЦВ............................................................................................................ 133
4.1.1. Визначення параметрів пари різальний інструмент – оправка на базі
розробленої скінчено-елементної математичної моделі з метою спрощення
визначення динамічних характеристик шпиндельних вузлів ........................ 133
4.1.2. Методика підбору параметрів різального інструменту і оправки для
визначення меж зміни ЧВК ШВ........................................................................ 136
4.1.3. Аналіз результатів розрахунку меж зміни ЧВК ШВ при встановленні
інструменту різного типу ................................................................................... 143
4.2. Аналіз результатів дослідження динамічної якості несучої системи
багатоцільового верстата.................................................................................... 147
4.3. Аналіз результатів дослідження динамічної якості поворотного стола
БЦВ....................................................................................................................... 151
20
4.4. Експериментальне дослідження динамічних характеристик БЦВ моделі
Picomax 820 VERSA............................................................................................ 153
ВИСНОВКИ ДО РОЗДІЛУ 4 ............................................................................. 159
РОЗДІЛ 5. ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ ПІДВИЩЕННЯ ПОКАЗНИКІВ ДИНАМІЧНОЇ
ЯКОСТІ БАГАТОЦІЛЬОВОГО ВЕРСТАТА................................................... 161
5.1. Конструкторсько-технологічні заходи забезпечення заданих показників
шорсткості оброблених поверхонь і точності обробки................................... 161
5.1.1. Методика визначення інтервалів частот збудження коливань............. 161
5.1.2. Методика підбору і визначення режимів різання .................................. 165
5.1.3. Рекомендації щодо шляхів автоматизації процесу призначення режимів
різання на БВ ....................................................................................................... 168
5.1.3. Розробка способу закріплення заготовки для обробки складнофасонних деталей на багатоцільових верстатах .............................................. 169
5.2. Заходи конструктивного характеру щодо зменшення кількості частот
власних коливань багатоцільового верстату.................................................... 174
5.2.1. Послідовність відбору складових елементів БЦВ для внесення змін у їх
конструкцію з метою впливу на показники динамічної якості...................... 174
5.2.2. Аналіз можливості звуження меж оминання ЧВК БЦВ за рахунок
зближення двох близькорозташованих ЧВК.................................................... 176
5.2.3. Аналіз можливості зниження АК окремих частот власних коливань
виходячи із величини і форми ЧВК .................................................................. 178
5.2.4. Узагальнюючий підхід до визначення схеми встановлення верстата на
опори і їх кількості.............................................................................................. 180
ВИСНОВКИ ЗА РОЗДІЛОМ 5 .......................................................................... 183
СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ........................................................... 188
ДОДАТКИ............................................................................................................ 203
Додаток А............................................................................................................. 203
Додаток Б ............................................................................................................. 204
Додаток В............................................................................................................. 213
Додаток Г ............................................................................................................. 223
21
Додаток Д............................................................................................................. 224

Список литературы

ВИСНОВКИ ЗА РОЗДІЛОМ 5
1. За результатами динамічного аналізу складових вузлів БЦВ
розроблено методику визначення інтервалів частот збудження коливань, які
необхідно оминати при призначенні режимів різання для запобігання
виникненню явища резонансу.
2. Розроблено методику призначення режимів різання, яка базується на
результатах динамічного аналізу вузлів багатоцільового верстату моделі
Picomax 820 VERSA, що дозволяє забезпечити необхідні показники
шорсткості обробленої поверхні, точності обробки і стійкості різального
інструменту. Використання запропонованої методики дозволило збільшити
швидкість різання при обробці жароміцного сплаву ХН50ВМТЮБ-ВИ
суцільнотвердосплавною фрезою з матеріалу H10F в 5 разів до n=2000 об/хв,
збільшити подачу в 6,6 разів до F=120 мм/хв і забезпечити збільшення
стійкості різального інструменту в 6 разів.
3. Розроблено спосіб закріплення заготовки для обробки складнофасонних деталей, що полягає у приварці до одного з торців заготовки
призматичної або циліндричної форми, або частково обробленої заготовки
тримача із хвостовиком, який забезпечує надійну фіксацію, центрування й
орієнтацію деталі в спеціальному пристосуванні на верстаті. Розроблене
пристосування є динамічно-збалансованим і має ряд суттєвих позитивних
якостей. Запропонований спосіб закріплення впроваджено у виробництво на
АТ «Мотор Січ» при виготовленні більш ніж 60 магазинних номерів деталей і
вузлів.
4. Запропоновано шляхи відбору частот власних коливань БЦВ, вплив
на які через застосування заходів конструктивного характеру матиме
найбільший вплив на показники динамічної якості верстата і забезпечать
необхідний рівень доцільності їх використання. Заходи базуються на
глибокому і всебічному аналізі частот і форм власних коливань, амплітуди
коливань складових елементів БЦВ.
184
5. Запропоновано узагальнюючий підхід до визначення схеми
встановлення верстата на опори і кількості опор, яка базується на аналізі
частот і форм власних коливань несучої системи верстата і призначена для
забезпечення підвищення динамічних характеристик БЦВ. Застосування
розробленої методики дозволяє зменшити амплітуду коливань переднього
кінця шпиндельного вузла на окремих частотах власних коливань БЦВ моделі
Picomax 820 VERSA на величину до 50%.