Исследование динамических характеристик роторных систем на опорах с воздушной смазкой для высокоскоростных турбинных фрезерных головок тема автореферата и диссертации по механике, 01.02.06 ВАК РФ

ДАЛЬНЕВОСТОЧНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи БОГАЧЕВ Александр Николаевич

ИССЛЕДОВАНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК РОТОРНЫХ СИСТЕМ НА ОПОРАХ С ВОЗДУШНОЙ СМАЗКОЙ ДЛЯ ВЫСОКОСКОРОСТНЫХ ТУРБИННЫХ ФРЕЗЕРНЫХ ГОЛОВОК

Специальность 01.02.06 Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Владивосток■ 1995 год

ОоЛлта п I шлпипип г» Пап1 иппллт^нили гллипяпотллиилм | иии ш оошилиспи о I иппит осппим

техническом университете

Научные руководители: доктор технических наук, профессор

Г.А. Лавруппш;

кандидат технических наук, доцент И.Л. Шишиш.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Ю.В. Поспелов;

кандидат физико-математических наук А П. Наумкин.

Ведущая организация - Научно-нсследов ательскзш институт авиационных технологий (НИЛ-8410, г.Арсеньев).

Защита состоится " 1995 г. в /О часов на

заседании Специализированного Совета К064.01.05 при Дальневосточном государственном техническом университете по адресу: 690600, г.Влаливосток, ГСП, ул. Пушкинская, 10, ДВГТУ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета. Автореферат разослан

Отзыв на автореферат, заверенный печатью учреждения, просим выслать в адрес специализированный совета при ДВГТУ.

Ученый секретарь Д

спепиализир^ ванного совета, ХИ

к.т.н., доцент К/У^^О" П.Н. Пузь

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тему. Повышение точности, производительности металлорежущего оборудования, снижение себестоимости обработки различных материалов и улучшение условий труда на предприятиях металлообрабатывающей промышленности - важная народнохозяйственная задача. Для реализации задачи предлагается использование малогабаритных фрезерных головок на газостатических опорах, что позволяет уменьшить износ й нагревание валов, повысить число их оборотов. Точность фрезерования такими головками, их производительность, надежность, долговечность зависят как от конструкции опор, так и от условий фрезерования.

Для достижения ■ высокой технологии сверхскоростной обработки материалов необходимы детальные исследования системы "обрабатываемая деталь - фреза - ротор - газоотатические подшипники - турбинный привод". Одной из важных проблем является изучение перемещение ротора малых размеров в газостатических опорах под действием консольных нагрузок, величина которых ограничена жесткостью воздушного слоя в зазоре опор. В свою очередь, величина консольной нагрузки, обусловленная силами резания, зависит от выбора режимов фрезерования. Отсюда следует необходимость исследования условий обработки материалов через силы резания на смещение ротора в газостатических опорах, что, в конечном итоге, сказывается на точности обработки и на работе ротора с касанием или без него в подшипниковой втулке.

Цель и задачи работ. Цель - экспериментальное исследование закономерностей изменения характеристик технологической системы "обрабатываемая деталь - фреза - ротор - газостатические подшипники - турбинный привод"; установление зависимости сил резания от режимов фрезерования; построение методики расчета фрезерных головок на газостатических опорах с турбинным приводом.

Для достижения поставленной цели решались следующие -задачи:

1. Составление математических моделей.на основе классических уравнений механики твердого тела, податливой системы " обрабатываемая деталь - фреза - ротор - газоотатические подшипники -турбинный привод" для оценки смещения реального малоразмерного ротора в газостатических подшипниках под действием консольных ^агрузок.

2. Разработка комплекса технических средств, измерительной аппаратуры для проведения опытов по определению величины смещения ротора в подшипниковой втулке и сил резания для различных режимов фрезерования.

3. Опытное исследование физической картины поведения реального ротора на упругих опорах.

4. Экспериментальное определение коэффициентов статической жесткости воздушного слоя при консольных нагрузках на роторную систему.

5. Экспериментальное определение усилий внешнего воздействия на роторную систему в зависимости от режимов фрезерования.

6. Разработка алгоритмов численного решения уравнений различных моделей податливых систем "обрабатываемая деталь-фреза-ротор- газостатические подшипники-турбинный привод" при определении смещений реального ротора в газостатических опорах под действием консольной нагрузки.

7. Составление таблиц расчетных характеристик для технологической системы "обрабатываемая детаяь-фреаа-ротор-газостатические подшипники-турбинный привод".

Методика исследования сочетает экспериментальные работы с теоретическим анализом, математическим моделированием податливых систем и научно обоснованным выделением максимально информативных параметров контроля.

Математические модели податливых систем составлялись на основе уравнений равновесия твердых тел, известных в механике. Численное решение этих уравнений проводилось методом итераций.

Обработка экспериментальных данных по определению статических коэффициентов жесткости газового слоя выполнялась с помощью графо-аналитических методов и методов механики жидкости и газов.

Для определения силовых зависимостей проводился однофактор-ный эксперимент. Обработка экспериментальных данных проведена с использованием методов теории резания металлов.

Научная новизна полученных результатов заключается в следующем:

1. Обосновано применение малогабаритных турбинных головок на газостатических опорах для скоростного фрезерования.

2. Впервые поставлен и решен вопрос о необходимости расчета смещения реального малоразмерного ротора в газостатических опо-

рах, как основного фактора, влияющего на качество обработки и долговечность опор при фрезеровании.

3. Для анализа экспериментальных данных при определении величины статических коэффициентов жесткости газового слоя применен метод позиционных карт, который позволяет подробно проследить физическую картину поведения реального малоразмерного ротора на упругих опорах при различных консольных нагрузках.

4. Экспериментально получены значения коэффициентов жесткости газового слоя, позволяющие вести расчеты смещения малоразмерных роторов в газостатических подшипниках с величиной относительных эксцентриситетов £ > 0,5.

5. Получены экспериментальные зависимости сил резания от режимных параметров для податливой роторной системы, которые отличны от значений сил резания, рассчитанных для жесткой роторной системы.

6. Для многоопорной роторной системы, состоящей из радиального, упорного и совмещенного радиально-упорного подшипников, разработана методика расчета смещения реального малоразмерного ротора в газостатических опорах под действием консольных нагрузок при величине относительного эксцентриситета s > 0,5.

По данной методике проведен расчет определенных роторных систем с выбором для них условий обработки.

Практическая ценность и реализация работ.

Результаты исследований и разработанные на их основе рекомендации и предложения внедрены при составлении нормативно-технических документов и создании технической продукции:

1. Рабочие чертежи опытной сверлильно-фрезерной головки ПФГ-8 (завод "Аскольд", г.Арсеньев, 1983 г.).

2. Универсальный настольный станок с пневмофрезерной головкой типа ПГ-6 (ДВО РАН, 1989 г.).

3. Технологический процесс фрезерования радиоэлектронных плат на станке' типа КД-46 (ДВО РАН, 1989 г.).

4. Методика расчета точности фрезерования пневмофрезерными головками на газостатических подшипниках (ДВО РАН, 1989 г.).

5. Конструкция малогабаритной головки на газостатических опорах с турбоприводом для токарного станка с ЧПУ типа 16А20ФЗ (АО "ЭРА", г.Владивосток, 1994 г.).

Достоверность полученных результатов основана на использовании классических уравнений механики твердого тела и подтверждена

о

проверкой адекватности теоретического и экспериментального исследований параметров сил резания и смещения роторных систем при ра личных режимах реаания, а также результатами исследований друга авторов.

Автор защищает:

1. Обоснование применения турбинных малогабаритных голово: на газостатических опорах для скоростного фрезерования.

2. Математические модели реальных роторных систем, позволяю щих оценить смещение ротора в газостатических опорах по приведен ной жесткости.

3. Экспериментальный метод определения величины статически коэффициентов жесткости газового слоя с целью применения их пр расчете смещения реального малоразмерного ротора в газостатичес ких опорах.

4. Экспериментальный метод получения сил резания в зависи мости от режимов фрезерования для податливой системы.

5. Результаты экспериментальных исследований аакономерносте изменения характеристик технологической системы "обрабатываема деталь - фреза - ротор - газостатические подшипники -турбинный привод".

6. Математическую зависимость сил резания от режимов фрезе рования различных материалов.

7. Методику расчета величины смещения реального малораамер ного ротора в газостатических опорах под действием консольных си

Апробация работ. Основные положения и результаты работ докладывались и обсуждались: на конференции молодых ученых и ас пирантов ЦНИИБыта (г.Москва, 1980г.), краевой научно-техническо конференции "Пути совершенствования хозяйственного механизма н предприятиях бытового обслуживания" (г.Владивосток, 1981г.); уче ном совете ЦНИИБыта (г. Москва, 1983 г.); Всесоюзном координаци онном совещании по проблемам газовой смазки (г.Винница,1983г.) совместном заседании кафедры "Теоретической механики" и науч но-исследовательской лаборатории по упругим опорам ЛВИМУ (г.Ле нинград, 1987г.);теоретическом семинаре кафедры "Гидроаэродинами ки" ЛПИ им. М.И.Калинина (г.Ленинград, 1987г.); лаборатории 10 НПО ЦКТИ им. И.Н.Ползунова (г.Ленинград, 1987г.); Всесоюзном на учно-координационном совещании по проблемам газовой смази (г.Ростов-на-Дону, 1989г.); Всесоюзном семинаре по проблемам гаа

бой смазки (г.Новороссийск, 1990г.); XXXIII юбилейной научно-технической конференции ДВГТУ (г.Владивосток, 1993г.); совместном заседании кафедр:"Основы конструирования", "Теоретическая механика", "Сопротивление материалов", "Автоматизированные производственные системы", ДВГТУ (г.Владивосток, 1994г.).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ, в том числе образцы пневмоголовок удостоены двух бронзовых медалей ВДНХ СССР.

Структура и объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, нести глав, заключения, списка литературы и приложения. Основное содержание изложено на 120 страницах машинописного текста и включает 61 иллюстрацию, 36 таблиц, библиографию из 163 наименований литературных источников.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В ведении дается обоснование актуальности рассматриваемой проблемы, сформулированы цель работы, ее научная новизна, применение и практическая ценность. Изложены основные положения, выносимые автором на защиту.

В первой главе дан краткий обзор литературы, отражающий современное состояние вопросов по исследованию высокоскоростной обработки различных материалов. Отмечен крупный вклад отечественных и зарубежных ученых!

Первые публикации, посвященные скоростной обработке, появились в начале 30-х годов. Инициатором распространения идеи скоростного резания в нашей стране был академик В.Д.Кузнецов, который впервые (1940г.) теоретически обосновал высокую скорость, как средство минимизации сил резания.

Объектами исследования явились: силы резания; температурные деформации; распределение температуры резания; формообразование стружки; вибрация ротора; ресурс работы опор и другие направления.

Установлено, что рост скорости ограничен возможностями станка. Для решения данной проблемы необходимо обратить внимание на следующие вопросы: усовершенствование или создание шпиндельных опор; исключение или уменьшение деформаций, связанных с тепловыми процессами; повышение виброустойчивости; уменьшение шума.

Сравнивая опоры роторов по важнейшим характеристикам, отмечается, что газостатические опоры - одни из наиболее скоростных,

но обладают малыш жесткостью и демпфированием гааового слоя. Е связи с этим на роторную систему на газостатических опорах большое влияние оказывают динамические нагрузки, обусловленные спецификой системы, с импульсными силами, возникающими в процессе фрезерования. Здесь необходимо особо выделить малоразмерную систем; на газостатических опорах и связанную с ней проблему, которук можно выразить следующей тесной связью -" скорость - режимы фрез« рования - нагрузка на инструмент - жесткость газового слоя в зазоре опор - смещение ротора".

Специфические особенности подшипников с газовой смазкой выдвинули проблемы, которым посвящено достаточно большое число теоретических и экспериментальных работ. Можно выделить три основные направления исследовательских работ: статическое, динамическое и исследование материалов. Наиболее обширным по содержанию являете: первое направление, куда входит разработка и совершенствовали! теоретических методов расчета опор.

Процедура расчета. реальной роторной системы проходит ря; этапов. Одним из наиболее важных является этап составления математической модели для определения сил реакций газового слоя подшипников скольжения.

В качестве исходного уравнения, описывающего течение смази в узком зазоре между шипом и подшипником, возможно использование с учетом определенных допущений, дифференциального уравнения Рей-нольдса.

Трудности, связанные с интегрированием дифференциальны; уравнений, вынуждают исследователей рассматривать поведение роторной системы на упрощенной модели смазочного сдоя с использованием приближенных методов расчета. В настоящий момент наиболе! точные-результаты получены численными методами.

Определяя силы реакции, жесткость, демпфирование газовое слоя, исследователи рассматривали поступательное движение шип, относительно подшипника. При этом предполагалось, что шип-и под шипник соосны. В реальных условиях возникает необходимость учета углового смещения шипа. Угловое рассогласование соосности ротор, и подшипниковой втулки могут привести к нарушению ряда ограниче ний, в частности, равномерности истечения смазки в щели межд системой шипов и подшипниковой втулкой, что должно сказаться н, перераспределении давления воздуха в опорах. Расчет сил реакци: гааового слоя в данном случае сложен.

Таким образом, возникает необходимость экспериментального определения сил реакций и величины статических коэффициентов жесткости газового слоя при действии на ротор консольных сил.

В настоящий момент накоплен обширный материал по установлению зависимости усредненных и мгновенных сил резания от различных параметров. Но эти эмпирические зависимости имеют определенные границы применения. Они не отражают особенностей замкнутой деформационной системы и ее сложных связей, присущих процессу резания. Ряд работ, проведенных в нашей стране и за рубежом, отмечают отсутствие удовлетворительных моделей для определения сил резания.

Существует значительное количество расчетных и экспериментальных данных по выбору режимов резания. Анализ структуры нормативных материалов, справочников по режимам резания, рекомендаций иностранных фирм показал, • что режимы резания, рассчитанные с помощью нормативов, являются рекомендованными и при внедрении должны корректироваться о учетом конкретных условий.

На основании изложенного, с целью получения достоверных результатов величины сил резания в зависимости от режимов фрезерования для податливой роторной системы выбран экспериментальный метод.

Проведенный анализ и оценка, по литературным источникам, вопроса - "скорость - силы резания - роторная система на газостатических опорах" - приводит к постановке перечисленных задач.

Вторая глава посвящена математическим моделям податливых роторных систем, которые составлялись на основе уравнений равновесия твердых тел, известных в механике. В зависимости от характера нагрузки построены две модели податливой системы - статическая и динамическая. Роторная система, согласно проведенным экспериментам, испытывает переменное воздействие со стороны сил резания, которые имеют вид:

Pi(t) = Р coswt а о 05

Pi(t) = — +,£4ajcosMj t + bj sinwjt (1)

2 J_1

Для стационарного процесса (и = const) силы резания достигают максимального значения, Pi(t) Р^*. Математическая модель статической податливой роторной системы (рис.1а), согласно принципу Германа-Зйлера-Даламбера, имеет вид:

-» -» Р "* R ф

EPi + ERi + Z3>i = О; Щ; + ГМС + ВИс =0 (2)

Уравнение равновесия (2) можно представить шах

- pv + Rax - s - Rbx = о;

max max "ф Вт

- Ph + Ray ~ Rbv - Ftv = 0; Ph >- + Fty- = 0;

2 2

PHlo + ll) - Rax-Ii - RBX'l2 - Mxi - MX2 + Ftz--- 0; (3)

2

Phbo + ll) - RaY-U - RBY-12 - Myi - MY2 + FTY'(l2 + 1з) - 0;

Здесь Mxi, Mx2. Wyi. MY2 - моменты от сил упругого сопротивления, возникающие при перекосе в упорном подшипнике и подпятнике; Dt - диаметр турбинки; d<j - диаметр фрезы.

Согласно принципу о вертуальных перемещениях, выражаем силь реакций воздушного сдоя через произведение коэффициента жесткоси на смещение ротора в опорах, дальнейший расчет ведем по приведенной жесткости (схема, рис.16).

На основании теоремы о плоском перемещении твердого тела устанавливаем взаимосвязь между смещением ротора в опорах Хд , Хв , Уд , Yb и перемещением инструмента Х^ , Y® (схема, рисЛв).

Хд = Хо-(1 + 8х); YA = Y0-(l + Sy);

12 12

Хв = Xo-Cl - 5X — ); YB = Yo-(l - 5y — );

ll ll

Хдх Yay

где 5X = - ; 5y = - ; (4)

Xo Y0

1 - 5x —— 1 - 5y —-

ll ll

Хв = XA--; Yb = YA---- ;

1 + б* 1 + 5y

Хд -5x (1o+ ll) YA 5y (lo + ll) X®= -[-+ 13; Уф - -С- + 1]. (5)

1 + бх ll . 1 + 5y li

Тогда система расчетных уравнений примет вид

для плоскости X0Z:

Рис Л. Модель роторной системы на опорах с воздушной смазкой: а - общая схема;.б - схема расчета смещения ротора по приведенной жесткости;.в - смещение ротора в подшипниковой втулке (плоскость ХОД)

«х

тах * *

-Ру + Кдх-хд - е - Квх-Ха*

11

1 +

0;

(6)

1 - 5Х-

12

К ОЛ " я

Ру -Цо + 11)- Ках-Ха-11 - Квх-Ха-Для плоскости ЧОХ:

1 + Зх

11 Ют

12 + Рту 12«'—

1

шах * *

РЬ + КдуУд + КВУ-Га-

А 11

1 + бу 1

РГЬо.+ "11)- Кау-ТА'Н - Кву^А-

- Рту - О; -12 +

1 + 5у

+ Рту (1г +1з) = О

(7)

тах Йф От

Рп - + рту-= 0.

2 2

Уравнения (5), (6), (7) являются основными при разработке расчетной методики и алгоритма, которые служат для определения величины смещения ротора в гааостатических опорах под действием консольной нагрузки.

Динамическая модель роторной системы построена на основе уравнений Эйлера, описывающих сферическое движение упруго подвешенного тела. Применительно к схеме сил, действующих на роторную

систему (рис.2), данные уравнения запишутся:

' * * '

Рь(с054)1 + «о) (1о + 11) - Кау'уа'Ц - Кву-Ув-12 + Рту(12 + 1з) = с1й>х

= Лх —- + иуиг'Ог - ^у); сИ

1

Рис.2. Динамическая модель роторной системы на опорах'с воздушной смазкой

* * От

МсоэЛ + ыо)(1о + Ц) - Ках'Ха-11 - Квх-Хв'Ц + Гтг-— =

сЗшу

= — '+ Их-^'Рх - ■ сИ

. Вт (¡Иг

-ру(собшь + ы0)- + рту — - Jz

2 2 {&

«г = -+ -соэф ;

6Ь Л

(17 ей оьс - — собф--;

с!<р

= - соб8 + - ;

сИ сИ

ды? с32¥ с!^ с!8

СОБф -

41 dtг сИ2

dux № с^^ йЧ

собф -

dt йЬ

da)y dz'^r _

соз8--+

dt dt2 dt dt2 '

Здесь:?, 8, ф - углы Эйлера; ^ ,Лу . ¿2 ~ моменты инерци ротора относительно осей X, У, 1\ аьс, ыу, и2 - угловые скорости.

Решение уравнений производится по экспериментально определен ным величинам сил резания и статических коэффициентов жесткост воздушного слоя.

В третей главе приводятся технические средства, измеритель ная аппаратура и методика проведения экспериментальных исследова ний для выполнения сформулированных выше задач.

Испытательный стенд смонтирован на базе зубофрезерного станк модели 5300. Пневмофрезерная головка устанавливалась на стенде гс ризонтально. Измерение смещения ротора в подшипниковой втулке пр статических испытаниях производились индикаторными головками с цё ной деления 0,001 мм.

Величина давления воздуха, подводимого к подшипникам и тур боприводу головки, изменялось с помощью регуляторов, установленнь на агрегате подготовки воздуха, и регистрировалось образцовыми мг ноыетрами МДФ-1-100, МП-5, МТПС-ЮО-ОМ-2.

Скорость резания контролировалась фотодиодом. Сигнал черс прибор-сумматор поступал на эдектронносчетный частотомер 43-32.

Для измерения сил резания разработана конструкция тенаодинг мометра на воздушной опоре. Измерительный мост составлен из тензс датчиков и запитан от источника постоянного тока Б5-7. Сигнал у выходе с динамометра проходит через усилитель ТОПАЗ-3 и мост сог ротивлений. Величина сил резания при фрезеровании фиксируется * пленке осциллографа. Н041У4.2.

Экспериментальные исследования при определении смещения ротора в подшипниковой втулке проводились методом статического нагру-кения роторной системы консольной нагрузкой. Нагружение выполняется ступенчато. По нагружению роторной системы грузом подается воз-цух и устанавливается равное по величине давление (Psi = Ps2 = = Psa) в системе опор. Величина всплытия ротора определяется по тадикаторным головкам, которые устанавливаются по концам ротора. Максимальное нагружение соответствует значению, при котором осу-цествляется контакт ротора с подшипниковой втулкой.

Величина сил резания Pv, Рь, Ро определяется по трем соответствующим координатным осям X, Y, Z при однофакторном эксперименте в зависимости от режимов фрезерования (В - ширины фрезеро-зания, t - глубины фрезерования, Sm - минутной подачи, h - частоты зращения ротора). Производилось встречное фрезерование латуни (ЛЖМЦ 59-11, ГОСТ 2060-73), сплава алюминия (Д1, ГОСТ 21488-76), древесностружечного материала (ПТ1, ГОСТ 10632-70) шпоночными фрезами. Материал и геометрические параметры фрез: Р6М5,т - 12°, 1 = 7°, ш » 22°-30°. Число зубьев фрез z » 2. Отладка и настройка аппаратуры включает в себя балансировку моста тензодатчиков и тарировку динамометра.

В четвертой главе изложены результаты исследований коэффициентов статической жесткости многоопорной роторной системы. В процессе нагружения роторной системы изменение, направления вращения ротора в подшипниковой втулке фиксируется картами всплытия. По картам всплытия определены величины смещений ротора в опорах Хд , <в, Уа, Ув и установлены зависимости величин статических коэффици-знтов угловой жесткости от величин относительных эксцентриков (Кд -е. Кв - в).

Установлено, что зависимость К -» е для первой опоры отличается по форме от второй. Графическая зависимость К -* е для второй эпоры разбивается на три участка (рис.3). Объясняется это явление нарушением равномерности истечения воздушной смазки в зазоре между ютом и подшипниковой втулкой, величиной расхода смазки и геометрическими параметрами опор. Здесь можно проследить взаимовлияния рпор друг на друга. В частности, с изменением зазоров, С0 - осевого и Сг - радиального, изменяется форма петли. Выбирая оптимальные 1араметры опор, можно добиться ее ликвидации.

Определена величина соотношения радиального и углового смеще-1ия ротора в опорах, значение которого изменяется в зависимости от

н/м

3

С _ 0.055ЦП Со 0-05 3*м h

/

L 1

0.2 а.к о Нхв' 6 ¿7.8 t /а6

С ^0.02Г ММ Со ~Q.O? ИМ

у у

< /

0.&

Со т/ /

L -- 7

а,г ол о^в ол г

Рис.3. Зависимость величины статического коэффициента жесткости воздушного слоя в зазоре опор от относительного эксцентриситета, Р = 588 кПа

давления наддува воздуха в опс опор в определенных пределах, Например, опора А с давлением

тельным эксцентриситетом е =

С. 0,04 С: 0,027

— = -мм, — = - мм.

С0 0,07 С0 0,07

|ры, консольной нагрузки и парам где верхний предел достигает наддува Ps - 588 кПа и относи-С: 0,055

0,66 для - =- мм,

С0 0,05

Соотношение радиального и угло:

ХАУ

смещения бх = - соответственно равно: 0,25; 0,29; 0,30. Уста-

Хо

новлена максимальная консольная нагрузка на роторную систему.

В пятой главе изложены результаты экспериментального исследования закономерностей изменения сил реаания во времени при различных режимах фрезерования латуни, сплава алюминия, древесностружечного материала. Некоторые результаты опытов представлены в таблице 1.

Таблица 1

Влияние режимов фрезерования деталей из цветных металлов на силы резания

Марка Режимы фрезерования Силы резания

ала Число Глуби- Шири- Ско- Рь, Ру, Ро, Рг.

оборо- на на рость Н Н Н Н

тов, п фрезе- фрезе- пода-

об/мин рова- рова- чи,

ния, ния, Бм,

В,мм мм/мин

Сплав

А1 10000 4 0,75 73 20,1 15,9 10,8 27,8

Д1 10000 3 0,75 73 17,5 12,9 9,6 23,7

23000 3 2,0 53 10,5 9,1 8,8 16,4

Латунь 10000 4 0,76 53 22,5 17 14,7 31,8

ЛЖМЦ59

Получены экспериментальные зависимости сил резания от режимов обработки. Например, при фрезеровании латуни величина силы резания Рь определяется по формуле

0. 3 0. 244 О. 24 773,4 В Ь Бм Ръ - -

п0.5

Установлено отличие экспериментальных зависимостей от извес ных змперкческих. В качестве примера приведены (табл.2) значен величин сил резания, которые приведены по справочной литературе экспериментальным зависимостям.

Таблица 2

Величина сил резания Рг и Р2 при обработке сплава алюминия Д1

Ширина фрезерования , В, мм Силы резания Рг, Р2, Н

По экспериментальным зависимостям, По справочной литературе, Р2

п = 23 об/мин; Ь = 3 им; 5м = 73 мм/мин

0.5 8.6 4.34 1.0 12.42 8.68 1.5 15.6 13.04 2.0 18.6 17.04

Экспериментальные исследования показали, что малогабарити пневмофрезерные головки на газостатических опорах могут быть и< пользованы при чистовом и черновом фрезеровании латуни, бронз] сплавов алюминия, древесностружечных материалов.

Шестая глава посвящена методике расчета смещения оси малора мерного ротора в газостатических подшипниках, разработанной на о( нове полученных результатов исследований.

Согласно предлагаемой методике расчет смещения оси ротора ] максимальным статическим силам резания (в качестве примера пло< кость Х02 ) состоит из следующих операций:

1. Определяются геометрические параметры роторной системы, вес ротора и его координаты центра тяжести.

2. Определяются размеры и усилия трубопровода.

3. Выбираются размер инструмента и условия фрезерования, определяются силы резания.

4. Задается давление наддува Р3.

5. Выбирается величина относительного эксцентриситета, гх = 0,3 - 0,9.

6. Определяется минимальный зазор в радиальных опорах, Сх.

7. Вычисляется параметр режима истечения смазки ш в зазоре

опор.

8. Определяются коэффициенты приведенной угловой жесткости Т* т*

Ках, Квх в опорах на основе результатов экспериментального исследования .

9. Вычисляется масштабный коэффициент Км.

10. Корректировка величины коэффициента приведенной угловой кесткости:

Г* г* т* г*

Ках = Км Ках , кВх = км Квх . 11. Вычисляется смещение ротора в опоре А:

С

Ха = £х - .

2

*

12. Выбирается величина коэффициента б* по результатам экспериментального исследования. * *

13. Корректировка коэффициента бх : 6Х = Км бх .

14. Определяется смещение оси ротора в подшипнике В по формуле 4.

15. Вычисляется смещение оси ротора в подшипнике А (первое

I

1риближение) Хд по формуле 6.

I

16. Проверка сходимости Хд и Хд (пункт 11)

Хд - Хд

- 1СШ < 57. .

Хд

Если расхождение превышает выбирается следующее значение относительного эксцентриситета £х и расчет повторяется с пункта 5. <огда число итераций полностью выбрано, а величина относительного эксцентриситета £х > 0,9, то следует перейти на более высокое давление Р3 и расчет повторить с пункта 4, либо изменить режимы

фрезерования и также повторить расчет с пункта 3. В противно случае при расхождении более 5%, необходимо выбрать новые геомет рические параметры опор и повторить расчет с пункта 1.

17. Вычисляется смещение фрезы X*» (формула 5).

Порядок расчета смещения ротора в подшипниковой втулке по о У аналогичен расчету по оси X. Расчет смещения ротора по оси сводится к определению минимального смещения Ъ1 под действием с Ро и Ргг- Определяется смещение Ь2Х, Ь2у от действия консоль-шах тах

ной нагрузки Рг , Рп (учет перекоса). Определяется общее смеш ние в упорном подшипнике.

По прилагаемой расчетной методике рассчитано восемь роторк систем с различными параметрами и режимами обработки.

Для динамического режима нагружения расчет траектории двш ния ротора ведется в следующей последовательности.

Решается общее уравнение динамики твердого тела, правая час которого включает сумму моментов инерционных сил, левая - суь моментов сил, действующих на роторную систему. Решение уравне! основано на результатах предварительно решенной статической за; чи, где определено значение максимального смещения оси фрезы (> Уф, ^ф)• Значение максимального смещения фрезы разбивается на | промежуточных точек (вычеркивается схема разбивки смещения фрез1

Такое же число точек соответствует разбивке периода вращеш 2Я

ротора (т: = - , где ы - частота вращения ротора).

ы

Далее решается правая часть уравнения, определяем для каж; точки: величину углов Эйлера; первые и вторые производные угл1 проекции угловой скорости ш на соответствующие оси координат; с; му моментов инерционных сил относительно соответствующих коор, натных осей (ОЛх, ОЛу, Щг).

Расчет левой части уравнений аналогичен расчету смещения тора по максимальным силам резания. Определяется сумма момен сил, действующих на ротор, для каждой расчетной точки (ОИх. Е Ш2) При сопоставлении значений моментов, например Шу = Шу, совпадение данных величин должно лежать в пределах 10%. Если р хождение более 10%, задается новое значение эксцентриситета £

расчет левой части уравнения повторяется. При е > 0,9 и расхождении моментов более 10X следует задаться новыми значениями координат смещения фрезы по схеме разбивки и повторить расчет для обеих частей уравнения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты проведенных исследований в диссертационной работе состоят в следующем:

1. На основе классических уравнений равновесия твердых тел получены две модели технологической системы -"обрабатываемая деталь - фреза - ротор - газостатические подшипники - турбинный привод" - для случаев статического и динамического режимов нагруже-ния.

Предложенные модели учитывают воздействие консольной нагрузки на ротор, изменение приведенной жесткости газового слоя в зазоре опор, смещение ротора в подшипниковой втулке.

2. Разработан комплекс технологических устройств и измерительной аппаратуры для проведения экспериментальных исследований по изучению закономерности изменения перемещений ротора в подшипниковой втулке и сил резания для различных режимов фрезерования.

3. Предложен экспериментальный метод определения статических коэффициентов приведенной угловой жесткости газового слоя в зазоре опор.

4. Разработаны карты всплытия ротора по определению его смещения относительно опор.

5. Получены экспериментальные зависимости статических коэффициентов приведенной угловой жесткости от величины относительных эксцентриситетов.

6. Установлены соотношения углового и радиального смещений в зависимости от давления наддува воздуха в опорах, консольной нагрузки и параметров опор.

7. Дан экспериментальный метод определения сил резания.

8. Получены экспериментальные зависимости сил резания от режимов фрезерования для различных материалов, которые лучше описывают процесс обработки по сравнению с существующими эмпирическими зависимостями.

9. Разработана методика и алгоритм расчета смещения оси ротора в статической и динамической постановке.

10. На основе предлагаемой методики рассчитано восемь роторны систем с различными параметрами и режимами нагружения.

11. Результаты исследований нашли практическое применение пр разработке нормативно-технологических документов, опытных образдо пневмофрезерных головок: рабочие чертежи опытной сверлильно-фре-зерной головки ПФГ-8 (завод "Аскольд", г. Арсеньев, 1983 г.); уни версальный настольный станок с пневмофрезерной головкой типа ПГ-(ДВО РАН, 1989 г.); технологический процесс фрезерования радиоэ лектронных плат на станке типа КД-46 (ДВО РАН, 1989г.); методик расчета точности фрезерования пневмофрезерными головками на газос татических опорах (ДВО РАН, 1989 г,); конструкция малогабаритно головки на газостатических опорах с турбинным приводом для токар ного станка с ЧПУ модели 16А20ФЗ (АО "ЭРА", г. Владивосток, 199 г.).

Основные результат исследований опубликованы в следующих работах:

1. Букус И.А., Шишкин И.Л., Погорелов М.В., Богачев А.Н., Э С.М., Борисевич В.В. 'Анализ основных конструктивных и технологи ческих схем ручного пневмоинструмента и агрегатных малогабаритны пневмотурбинных головок на газостатических подшипниках // Тез докл. Всесоюзного координационного совещания ,- в кн.: "Исследова ние и применение опор скольжения с газовой смазкой".- Винница 1983 г. - С.81-82.

2. Шишкин И.Л., Погорелов М.В., Гапоненко А.П., Алежко B.R. Богачев А.Н. Опытные пневмостанки на газостатических подшипниках перспективы их применения // Тез. докл. Всесоюзного координацион ного совещания,- в кн.:"Исследование и применение опор скольжени с газовой смазкой". - Винница, 1983.- С.54-55.

3. Шишкин И.Л., Богачев А.Н., Ласкин A.C. Экспериментально исследование цилиндрической и угловой жесткости несимметричног ротора с совмещенными опорно-упорными газостатическими подшипника ми // Тез.докл. Всесоюзного координационного совещания, - в кн. "Исследование и применение опор скольжения с газовой смазкой". Винница, 1983.- С.83-84.

4. ВДНХ СССР. Образец пневмоголовки на газостатических опо pax.- Удостоверение N 27138, Богачев А.Н., - бронзовая медаль 1983.

5. ВДНХ СССР. Образец пневмоголовки на газостатических опо pax.- Удостоверение N 43313, Богачев А.Н., - бронзовая медаль 1985.

6. Богачев А.Н. Экспериментальное исследование угловой жесткости легких роторов агрегатных пневмофрезерных головок на газостатических опорах // Тез.докл. Всесоюзного научно-координационного совещания,- в кн.-."Газовая смазка в машинах и приборах".- Москва, 1989.- С.31.

7. Шишкин И.Л., Богачев А.Н. Унификация и нормализация основных размеров агрегатных пневмотурбинных головок и ручного пневмо-инструмента на газосгатических опорах // Тез. докл. Всесоюзного научно-координационного совещания,- в кн.: "Газовая смазка б машинах и приборах".- Москва,. 1989.- С.205.

8. Богачев А.Н., Погорелов М.В. Пневмофрезерные головки на газостатических опорах //Тез.докл. Всесоюзного семинара,- в кн.: "Надежность роторных систем с опорами на газовой смазке". - Москва, 1930.- С.17.

9. Лаврушин Г.А., Богачев А.Н. Кинетика поверхностного износа металлов в опорах скольжения с газовой смазкой 1/ Тез. докл. ХХХШ юбилейной научно-технической конференции, - в кн.1-Владивосток: ДВГТУ, 1993.- С.119.

10. Богачев А.Н., Лаврушин Г.А. Условия фрезерования турбинными головками на газостатических опорах и возможность износа опор // Проблемы естествознания -и производства : Сб. науч.тр./ Владивосток, ДВГТУ, 1995, вьш.1У, сер. 5.

А.Н. Богачев

Подписано в печать 27.10.95г. Усл.печ.л. 1.39 Уч. изд. Л. 1.52

Формат 60 х 90 1/6 Тираж 100 зкз. Заказ

Типография ДВТИ 690600, г.Владивосток, ул.Гоголя 41