Повышение качества станков за счет совершенствования методов расчета модульных направляющих качения

Научно-технический прогресс во всех отраслях общественного производства означает непрерывное развитие и совершенствование орудий и предметов труда, создание принципиально новых машин, материалов, источников энергии, технологических процессов, а также связанных с ними прогрессивных форм организации производства.

Ведущая роль в решении этих задач принадлежит машиностроению, которое создает наиболее активную часть основных производственных фондов, в значительной степени определяет темпы технического прогресса, роста общественного производства и его эффективности. От уровня развития машиностроения зависят материалоёмкость, энергоёмкость валового внутреннего продукта, производительность труда, промышленная безопасность и обороноспособность государства.

В результате выпуска новых машин, приборов, оборудования, не уступающих по качеству мировым аналогам, машиностроение непосредственным образом влияет на повышение производительности труда, способствует техническому перевооружению предприятий, создает базу для более экономного использования сырья, материалов, энергии, снижения материалоемкости и энергоемкости продукции, что, несомненно, способствует повышению конкурентоспособности предприятий.

Непрерывное совершенствование и развитие машиностроения связано с прогрессом станкостроения, поскольку металлообрабатывающие станки (комплексы) вместе с некоторыми другими видами технологических машинэто единственный вид оборудования, который может самостоятельно обеспечивать изготовление любых новых видов оборудования.

Одной из главных проблем отечественного машиностроения можно считать критический моральный и физический износ оборудования и технологий. Решение именно этой проблемы является главной задачей развития станкостроения в последние годы в нашей стране, встающей на путь инновационного развития.

Инновации предполагают создание современного продукта, который либо превосходит существующие аналоги, либо не имеет аналогов. Любой продукт, будь то космический корабль, самолет, мобильный телефон или сердечный клапан, невозможно изготовить без технологий и оборудования мирового уровня.

Актуальность, а возможно и необходимость разработки нового оборудования в сложившейся экономической ситуации в нашей стране очевидна. Наряду с созданием нового оборудования, такой же важной задачей является модернизация действующего оборудования для обеспечения требований современных технологий.

Разработка нового или модернизация существующего оборудования не может проходить без принятия конструкторских решений, направленных на улучшение функциональных показателей оборудования. Конструктор обязан использовать новейшие технологии производства, самые современные материалы, новые концепции решения классических задач, следовать последним тенденциям развития техники, чтобы результат его работымашина, механизм, станок был актуален и востребован потребителем.

Главную роль при решении перечисленных выше задач играет модульный принцип проектирования оборудования, который заключается использованием максимального числа унифицированных и серийно изготавливаемых комплектующих, для расширения технологических возможностей в частности металлообрабатывающих станков. Одной из приоритетных задач конструирования является обеспечение сбалансированности эксплуатационных возможностей элементов конструкции, поставляемых, как правило, различными производителями. Для ее решения необходимо проводить обоснованный выбор покупных модулей еще на ранних стадиях проектирования [15].

Направляющие, по которым перемещаются подвижные узлы станков, машин, механизмов, измерительных приборов, роботов и других устройств, являются одним из основных элементов конструкции, и в значительной мере определяют их возможности и технический уровень.

Направляющие модульного типа в настоящее время являются самыми прогрессивными представителями узлов для реализации перемещения, как по прямой, так и по криволинейной траектории. Они обладают высокими технологическими характеристиками, имеют приемлемую стоимость, их производство освоено крупнейшими мировыми производителями комплектующих для машиностроительного оборудования. Надежность и простата использования модульных направляющих позволяет применять их не только в машиностроении, но и в любых областях техники как независимый механический элемент.

4.8. Выводы по главе.

1. Для имитации поведения направляющих была разработана специальная конечно-элементная модель, учитывающая особенности конструкции и упругие свойства рельса и танкетки. Эта модель обеспечивает лучшую корреляцию с экспериментами, чем исходная нелинейная. Сравнение расчетных кривых, полученных с помощью этих моделей, позволило оценить долю перемещений, вызванных собственными деформациями рельса и танкетки, которая может достигать 25% от общего перемещения. Снижение этих деформации может быть обеспечено за счет правильного выбора сопрягаемых корпусных элементов подвижного узла станка и соблюдения требований инструкции по монтажу.

2. Выполненные расчёты направляющих показали, что внешняя нагрузка может существенно — на 58%, перераспределить реакции на отдельных дорожках модульных направляющих, что необходимо учитывать при оценке работоспособности узла. Изменение реакций приводит к изменению жесткости дорожек (до 25%), но на величину относительных перемещений инструмента и заготовки этот эффект не оказывает ощутимого влияния.

3. Учет влияния собственных деформаций конструкции позволяет сделать более точные оценки распределения внешних нагрузок между дорожками качения, а следовательно сделать более достоверные прогнозы их долговечности. Так по результатам расчетов долговечность направляющих вертикального перемещения суппорта инструмента была скорректирована более чем в 2 раза. Однако аналитический расчет направляющих является важным элементом новой методики расчета направляющих. Его можно рассматривать не только как метод первоначального выбора типа и размера направляющих, но и как эталон для оценки качества проектирования сопрягаемых с ними базовых деталей, так как в случае абсолютно жесткой конструкции нагрузки между танкетками распределяются наиболее равномерно.

4. Анализ баланса деформаций несущей системы вертикального зубофрезерного станка показал, что направляющие являются одним из наименее жестких элементов его конструкции. Суммарный вклад деформаций модульных направляющих горизонтального перемещения стойки и вертикального перемещения суппорта инструмента составляет 25 -35% от относительного перемещения инструмента и заготовки. Увеличение жесткости конструкции станка, при переходе от шариковых к роликовым направляющим, не настолько значительно как это принято считать. Положительный эффект от такой замены достигается в основном за счет большей долговечности и лучших диссипативных свойств роликовых направляющих.

Заключение

Общие выводы по работе.

1. В данной диссертационной работе решена научно-техническая задача, имеющая важное значение для машиностроительного производства, заключающаяся в повышении качества металлообрабатывающих станков за счет рациональных конструкторских решений при разработке и модернизации оборудования, опирающихся на научно обоснованную методику и средства расчета модульных направляющих качения.

2. Разработана математическая модель упругой системы «танкетка — рельс направляющей» шариковых направляющих модульного типа с 4-мя и 6-ю дорожками качения, учитывающая их взаимное расположение и нелинейный характер контакта между телами и дорожками качения, что позволяет оценить перемещения танкетки и распределение между шариками комбинированных внешних нагрузок. Адекватность математической модели подтверждается сравнением результатов расчетов с экспериментальными данными.

3. В процессе проведения натурных и вычислительных экспериментов были выявлено наличие перемещений по линейным и угловым координатам, не совпадающим с направлениями приложения составляющих комбинированных нагрузок, что позволяет утверждать о наличии внутренних связей между нагрузками и перемещениями при совместном действии момента Мх и силы ¥-у или.

4. Разработана упрощенная аналитическая модель упругой системы «рельстанкетка», позволяющая изучать поведение танкеток с 4 дорожками качения, развернутыми под углом в 45° к присоединительным поверхностям рельса и танкетки, под действием комбинированной нагрузки в плоскости Оуг. Доказано, что качественный характер поведения обеих моделей одинаков, а при соответствующем выборе жесткости пружин, имитирующих упругие свойства дорожек и тел качения, можно добиться и удовлетворительного количественного соответствия. Аналитические зависимости могут быть использованы для разработки упрощенных моделей направляющих модульного типа при имитационном моделировании станков с помощью метода конечных элементов.

5. Изучен механизм формирования внутренних связей, заложенный в конструкцию направляющих. Причиной их возникновения является переменная жесткость упругой системы, вызванная нелинейных характером контакта между телами и дорожками качения. При приложении внешней нагрузки жесткость, обусловленная предварительным натягом, перераспределяется между дорожками, вызывая возникновение внутренних связей в системе. Приложение момента Мх вызывает увеличение жесткости на двух противоположных дорожках качения и соответствующее снижение ее на перпендикулярных к ним дорожках. В результате мы наблюдаем перемещения в направлении перпендикулярном направлению вектора силы. При отсутствии внешнего момента, из-за изменения жесткости на дорожках, лежащих в направлении действия вектора силы, реакции меняются на разную величину. В результате возникает момент Мх, который может быть скомпенсирован реакциями двух других дорожек только при повороте танкетки вокруг оси Ох. Это позволяет объяснить специфический характер перемещений танкеток под действием комбинированных нагрузок.

6. Разработана специальная конечно-элементная модель модульной направляющей, учитывающая особенности конструкции и упругие свойства рельса и танкетки. Эта модель обеспечивает лучшую корреляцию с экспериментами, чем исходная нелинейная. Сравнение расчетных кривых, полученных с помощью этих моделей, позволило оценить долю перемещений, вызванных собственными деформациями рельса и танкетки, которая может достигать 25% от общего перемещения. Полученная модель предназначена для использования в качестве элемента несущей системы станка при расчетах методом конечных элементов.

7. Выявленные особенности в поведении модульных направляющих качения могут проявляться под действием нагрузок, вызванных весом перемещаемого узла, технологическими процессами, погрешностями обработки монтажных поверхностей, качеством монтажа, температурными деформациями. Выполненные расчёты показали, что внешняя нагрузка может существеннона 58%, перераспределить реакции на отдельных дорожках модульных направляющих, что необходимо учитывать при оценке работоспособности узла. Изменение реакций приводит к изменению жесткости дорожек (до 20%), но на величину относительных перемещений инструмента и заготовки станка 5320Ф4 этот эффект не оказывает ощутимого влияния.

8. Анализ баланса деформаций несущей системы вертикального зубофрезерного станка показал, что направляющие являются одним из наименее жестких элементов его конструкции. Суммарный вклад деформаций модульных направляющих горизонтального перемещения стойки и вертикального перемещения суппорта инструмента составляет 25 — 35% от относительного перемещения инструмента и заготовки. Увеличение жесткости конструкции станка, при переходе от шариковых к роликовым направляющим, не настолько значительно как это принято считать. Положительный эффект от такой замены достигается в основном за счет большей долговечности и лучших диссипативных свойств роликовых направляющих.

9. Результаты диссертационной работы применяются на станкостроительных предприятиях (ОАО «САСТА» и ОАО «СМЗ») и используются в учебном процессе при подготовке специалистов по специальности «Проектирование технологических машин и комплексов» .