Содержание к диссертации
Введение
2. ОСНОВНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ТЕОРИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ЗАЖИМНЫХ МЕХАНИЗМОВ ПРУТКОВЫХ АВТОМАТОВ II
2.1. Назначение, область применения и направления развития ЗМ металлорежущих станков II
2.2. Механизмы зажима и подачи прутка, предъявляемые к ним требования и их основные характеристики 17
2.3. Влияние ЗМ на основные показатели, динамического качества станка, точность и производительность обработки 36
2.4. Современное состояние исследований, методов расчета и проектирования ЗМ прутковых автоматов 42
2.5. Цель и задачи исследований 56
3. ФИЗИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ, ПРОТЕКАЮЩИЕ В ЗАЖИМНЫХ МЕХАНИЗМАХ 58
3.1. Энергетический баланс и физические модели ЗМ 58
3.2. Особенности взаимодействия зажимного элемента с деталью.. 62
3.3. Особенности взаимодействия зажимной цанги со шпинделем и прутком W
3.4. Взаимосвязь процессов установки и обработки деталей на прутковом автомате 90
3.5. Влияние параметров заготовки на основные характеристики ЗМ прутковых автоматов 95
3.6. Динамические и математические модели ЗМ прутковых авто матов Ю8
4. ПРИНЦИПЫ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТРЕБУЕМЫХ ХАРАКТЕРИСТИК ЗАЖИМНЫХ МЕХАНИЗМОВ ПРУТКОВЫХ АВТОМАТОВ 119
4.1. Иерархия процесса проектирования ЗМ 119
4.2. Комплексный показатель качества ЗМ 125
4.3. Основные соображения по выбору способа зажима и подачи пруткового материала 134
4.4. Принципы стабилизации и регулирования силовых характеристик ЗМ. Силовые портреты 146
5. СТРУКТУРНО-СХЕМНЫЙ СИНТЕЗ ЗАЖИМНЫХ МЕХАНИЗМОВ 162
5.1. Особенности структурно-схемного синтеза ЗМ 62
5.2. Дифференциально-морфологический метод структурно-схемного синтеза зажимных патронов 171
5.3. Синтез схем цанговых патронов 182
5.4. Синтез схем приводов зажима со стабильными или регулируемыми силовыми характеристиками 196
5.5. Принципы создания широкодиапазонных ЗМ прутковых автоматов 205
6. АНАЛИЗ ПРОЕКТИРУЕМОЙ СИСТЕМЫ ЗАЖИМНОГО МЕХАНИЗМА В ПРОЦЕССЕ УСТАНОВКИ ПРУТКА 210
6.1. Характеристики зажимных и подающих цанг 210
6.2. Анализ передачи сил в цанговых патронах. 222
6.3. Анализ образования радиальных погрешностей установки деталей в цанговых патронах 249
6.4. Анализ образования осевых погрешностей установки деталей в ЗМ прутковых автоматов 260
6.5. Быстродействие процесса зажима-разжима 273
6.6. Теоретическое исследование процесса подачи и зажима прутка 293
6.7. Экспериментальное исследование процесса подачи и зажима прутков 311
7. АНАЛИЗ ПРОЕКТИРУЕМОЙ СИСТЕМЫ ЗАЖИМНОГО МЕХАНИЗМА В ПРОЦЕССЕ РЕЗАНИЯ 331
7.1. Схемы образования упругих отжатый в системе П-Д 331
7.2. Анализ факторов, влияющих на жесткость упругой системы П-Д 340
7.3. Теоретическое исследование упругих радиальных отжатий заготовки в цанговых патронах 345
7.4. Влияние процесса резания на характеристики зажима деталей в цанговых и кулачковых патронах 358
7.5. Анализ динамической жесткости системы П-Д 366
7.6. Экспериментальное исследование статических и динамических характеристик упругой системы П-Д 374
8. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЙ СИНТЕЗ ЗАЖИМНЫХ И ІЮ ДАЮЩИХ МЕХАНИЗМОВ ПРУТКОВЫХ АВТОМАТОВ 395
8.1. Задачи параметрического синтеза ЗМ. Основные критерии и ограничения 395
8.2. Оптимизация параметров и проектировочный расчет цанговых зажимных патронов 405
8.3. Оптимизация параметров и проектировочный расчет приводов зажима 424
8.4. Особенности параметрического синтеза МПП .433
9. ЭФФЕКТИВНОСТЬ ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ ТЕОРИИ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРИ СОЗДАНИИ НОВЫХ ЗАЖИМНЫХ МЕХАНИЗМОВ .439
9.1. Методика проектирования высокоточных и самонастраивающихся ЗМ и МПП .439
9.2. Методы улучшения характеристик ЗМ и МПП .446
9.3. Применение разработанной теории проектирования и эффективность внедрения новых синтезированных ЗМ и МПП .468
10. ЗАКЛЮЧЕНИЕ .481
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ. .486
ПРИЛОЖЕНИЕ .516
- Назначение, область применения и направления развития ЗМ металлорежущих станков
- Энергетический баланс и физические модели ЗМ
- Иерархия процесса проектирования ЗМ
- Особенности структурно-схемного синтеза ЗМ
- Характеристики зажимных и подающих цанг
Назначение, область применения и направления развития ЗМ металлорежущих станков
Для получения требуемой точности и производительности формообразования в технологической системе станка должна обеспечиваться координатная связь его элементов и сохраняться их заданное положение при различных возмущениях. Для сохранения заданного положения элементов в системе координат станка КУЕ (рис.2,1.) служат ЗМ, устройства и приспособления, которые при определенном законе формообразования фиксируют заданную связь в виде вектора О между деталью ( с системой координат / ) и режущим инструментом ( С системой Хц Уціц ) , которые рэсположвнынэ подвижных рабочих органах с системами координат соответственно Лг &J Z И
В автоматическом цикле станка ЗМ выполняет функции зажима-разжима и удержанием объекта закрепления в зажатом состоянии в течении процесса резания.
В станках-автоматах и автоматических линиях ЕМ предназначен для закрепления заготовок - деталей (Д ) , автоматически сменяемых режущих инструментов ( И ) и подвижных рабочих органов ( ТО) после их установочных перемещений ( рис.2.2. ) . В зависимости от формы объект закрепления имеет различные базы(конструкторские, сборочные, технологические, направляющие, установочные и др. ) , подвергается различным возмущениям (t) и последовательно воздействиям Ji (і) ...Jtf (t) по циклу ( рис.2.3 ) : перемещение ( позиционирование, ввод в рабочую зону ) и установка в требуемое положение ( останов на упоре ); зажим; обработка (резание); разжим и отвод ( разгрузка ).
Независимо от назначения, схемы работы и конструктивного исполнения система SM имеет общую структуру и функциональную схему ( рис.2.4), включающую источник и преобразователь энергии ( ПЭ ) в движущие силы ( моменты ) , узел управления ( УУ ) , привод ( Пр ) с передаточно-усилительными механизмами ( ПУМ ) и упругим звеном ( УЗ ) для переноса движущей силы и передачи на исполнительный механизм-патрон ( П) ( или приспособление ) , преобразующий движущую силу в зажимную, непосредственно воздействующую на деталь ( или несколько деталей ). ПаТрон состоит иа пере даточно-у си лите льных звеньев ( ПУЗ) и зажимных элементов ( ЗЭ) , расположенных в одном или нескольких местах. ПУМ может быть назван как передаточно-преобразовательный механизме ЕШМ) , так как он преобразует силы и перемещения ( силы усиливает, перемещения уменьшает).
Исследуемые и синтезированные ЗМ прутковых автоматов служат для закрепления вращающихся цилиндрических заготовок С рис.2.5,а ) , преимущественно прутковых, о которых в основном и будет идти речь в настоящей работе.
Для сплошных цилиндрических деталей характерны два основных размера: наружный диаметр dH и длина lg ( высота И). Для пустотелых дополнительным размером является внутренний диаметр ив или толщина стенки.
Энергетический баланс и физические модели ЗМ
Изучение явлений, связанных с процессом зажима, требует использования трех фундаментальных законов: I - сохранения импульса (сумма сил равна нулю); 2 - сохранения материи (сумма изменения вещества равна нулю) для приводов с жидкой или газообразной рабочей средой; 3 - сохранения энергии (сумма потоков равна нулю).
Для определения геометрии взаимного положения тел в упругой системе ЗМ, сохраняющего потенциальную энергию зажима, необходимо знать перемещения и их производные (скорость и ускорение), силу внутреннего взаимодействия-напряжения, силу поверхностного взаимодействия-давления, силы магнитного притяжения и т.д. Так как величины деформаций, напряжений и т.д. зависят от различных производных переменных параметров, то функциональные связи между параметрами довольно сложные и нелинейные. Однако для практических целей с некоторыми допущениями зависимости можно считать линейными, например: для продольного растяжения - сжатия упругих тел закон І ука устанавливает линейную связь между напряжением и относительным удлинением; для одномерного течения жидкостей и газов закон Стокса устанавливает линейную связь между напряжением и скоростью деформации; для распространения тепла в твердых телах по закону Фурье предполагается пропорциональная зависимость между потоками тепла и градиентом температуры.
В системе ЗМ в процессе зажима-разжима и при резании осуществляется перераспределение энергии,потребляемой от источника или отбираемой от других механизмов: кинетический K di , идущей на движение тел с массами /71 и моментами инерции Jp ; потенциальной П дг » сохраняемой в упругих перемещениях тел с жесткостя-ми-линейными Сі » поворотными Сі , контактными Ск і а также работы А = 1 , расходуемой на преодоление трения внешнего fT , внутреннего р п и преобразованной в тепло О І . При этом где Y[ - скорость поступательных перемещений і -тых звеньев; СОр - угловая скоростьтых звеньев; Д/ - линейные упругие перемещения L - тых тел; "$[ - угловые деформации L - тых тел; О к - контактные деформациитых поверхностей; Jm - коэффициент трения в /77 - ном сопряжении,: Д. - величина предварительного смещения при сухом трении; Nт - нормальная сила; коэффициент вязкости /7 - ной среды; Уп - скорость изменения объема /7 - ной среды; // - величина вязкого смещения; Qi - коэффициент теплопроводности і - того тела; t - градиент температуры і - того тела; VJ - объем L -того тела.
При изучении процессов и явлений, протекающих в ЕМ, необходимо знать: условия взаимодействия зажимных элементов с объектом закрепления(контактные сближения, силы трения и сцепления); условия передачи энергии и возникновения сил в звеньях; схемы образования упругих отжатий и погрешностей установки в системе П-Д; влияние различных факторов на основные характеристики зажима; взаимосвязь процессов зажима с процессами резания.
Физической моделью ЕМ в состоянии "зажато" является замкну-тая(закрытая или открытая со стороны источника энергии)упругонапря-женная система последовательно соединенных звеньев, получающих энергию извне и преобразующих ее в перемещение зажимных элементов в направлении создания нормальных( радиальных)сил на поверхности контакта с деталью, эквивалентной потенциальной энергии их упруго-пластического контактного взаимодействия.
Иерархия процесса проектирования ЗМ
Многообразие требований к ЗМ как в процессе зажима, так и в процессе резания при их взаимосвязи приводит к большому множеству различных схем и конструкций, среди которых всегда существуют оптимальные по соответствующим критериям качества. ЗМ включает на различных уровнях корневого дерева с множеством b вершин (рис. 4.1,а) источник энергии (ИЭ) - преобразователи энергии (ПЭ) - привод (Пр) - патрон (П) - деталь (Д). С увеличением вершин Л число ветвей дерева растет по соотношению/) (252]. Существенно различные (неизоморфные) ветви подсчитываются комбинаторными методами с помощью производящих функций и их меньше. Количество вершин деревьев всей системы ЗМ может составлять значительное число, что потребовало бы при ручном переборе десятки, сотни и даже тысячи лет. Поэтому задача автоматизированного проектирования с применением ЭВМ является весьма актуальной, учитывая неизбежную необходимость в условиях НТР сокращения сроков поиска новых технических решений [8, 132].
При проектировании ЗМ приходится решать многоуровневые задачи разной сложности, связанные с выбором принципа зажима, структуры для выбранного принципа, схемы для выбранной структуры и конструкции с лучшими (оптимальными) параметрами при выбранной схеме (рис. 4.1,6).
При рассмотрении системы ЗМ как объекта проектирования целесообразно распределять все переменные, характеризующие систему или имеющие к ней какое-либо отношение, на 3 множества (рис.4.1,в).
Особенности структурно-схемного синтеза ЗМ
Структурно-схемный синтез ЗМ можно осуществить варьированием структурами и схемами с целью поиска наилучшего решения на необра-зимом (в смысле полного перебора) множестве известных и неизвестных в инженерной практике вариантов. Подход к структурной оптимизации изложен в работах [8, 13J и использован для синтеза структур и схем ЗМ прутковых автоматов с применением специальных методов и приемов, разработанных автором [128, 132J. Методы структурно-схемной оптимизации являются дальнейшим развитием и расширением методов параметрической оптимизации ІУ уровня (рис. 4.1 и 4.2).
С инженерной точки зрения разные структуры рассматриваемого ЗМ отличаются друг от друга числом элементов, самими элементами, характером связи между элементами и т.д. С математической точки зрения, если при постановке задач схемной и параметрической оптимизации (по одному и тому же критерию качества) для двух вариантов ЗМ нельзя задать одинаковые целевые функции и функции ограничений, то эти варианты имеют различную структуру, т.е. для различных структур имеют место различные по постановке задачи схемной и параметрической оптимизации.
Каждой структуре ЗМ при действии возмущений, например, отклонении размера заготовки соответствует свое определенное изменение характеристик: силы, точности, жесткости, т.е. каждая структура ЗМ с определенными структурами приводов и патронов имеет свой портрет (силовой, точностной, жесткостной ).
При синтезе структур и схем, как и при параметрическом синтезе, под критерием качества можно подразумевать конструктивные, экономические, технологические, эксплуатационные и другие показатели (объем, масса, сила, жесткость, точность, долговечность, компактность, технологичность, стоимость, трудоемкость и т.д.), по величине которых из любых двух ЗМ можно выбрать лучший. Целевая функция представляет собой математическую зависимость критерия качества от оптимизируемых параметров; в более широком смысле целевая функция - это способ определения критерия качества. Обобщенный набор переменных,, который используется при постановке задач структурной и схемной оптимизации, представляет собой множество структурных элементов и схемных связей [13J.
Сложная структура системы ЗМ имеет многоуровневое иерархическое деление на все более простые элементы. Так например, ЗМ с геометрическим замыканием токарного автомата (рис. 2.6,а,б) можно функционально или конструктивно разделить на основные узлы (рис. 5.Ї): преобразователь энергии (ПЭ), узел управления (УУ), привод (Пр), патрон (П). Каждый узел можно разделить на несколько подуз-лов (блоков, соединений, звеньев, механизмов): ПЭ - на первичный и вторичный, причем первичный ПЭ может быть в виде электродвигателя ОД), гидродвигателя (ГД) или гидронасоса и т.д.; УУ - на зубчатую передачу (ЗП) от электродвигателя, распределительный вал (РВ), кулачок зажима (КЗ); Пр передаточно-усилительный механизм (ПУМ), упругое звено (УЗ); П - на корпус (корп.), передаточно-усилительное звено (ПУЗ), зажимной элемент (ЗЭ), упругий элемент (УЭ), вспомогательные элементы (ВЭ), В свою очередь каждый подузел (блок) можно разделить на несколько простых элементов (деталей). Например, в структуре привода ПУМ может быть (рис. 5.2,а): рычажным (Р); клиновым (К); шариковым (Ш); зубчатым (3); винтовым (В) или комбинированным; а в структуре зажимного патрона зажимной элемент (ЗЭ) может быть (рис. 5.2,6): основным (0), дополнительным (Д), промежуточным (П), фиксирующим (Ф) или комбинированным.
Характеристики зажимных и подающих цанг
Цанги являются основным исполнительным элементом в ЗМ и МПП [прутковых автоматов и от их характеристик во многом зависит работо-зпособность как ЗМ и МПП, так и автомата в целом. Конструктивное исполнение, качество изготовления и работоспособность цанг определяется силовыми, прочностными и фрикционными характеристиками.
Жесткость лепестков является одной из основных силовых характеристик зажимных и подающих цанг. Для зажимных цанг лепестков влияет т изменение силы, жесткости, точности и прочности зажима, а для са-йоразжимных цанг - необходимую величину деформации предварительно запряженного состояния лепестков. Для подающих цанг жесткость лепе-зтков определяется изменением их силы прижима к прутку в зависимости от отклонений его диаметра. Увеличение этой силы снижает срок злужбы подающих цанг вследствие износа рабочего отверстия и частич-юй потери упругих свойств лепестка при деформациях за пределами уп-эугости; это также перегружает МПП.
Измеренные в различных точках деформации лепестка и заделки за-одмной цанги при различных силах затяжкм S% показали JJI36, 210J, іто сечение лепестка в конце разрезки - месте заделки имеет податли-юсть и поворачивается на некоторый угол (рис. 6.1,а). То же обнаружено и в подающих цангах [ТЗб].
Для определения деформации лепестка цанги на длине Сл под действием радиальной силы г и его изгибной жесткости с учетом юдатливости заделки, представляющей цилиндрическую оболочку, можно использоваться расчетной схемой, представленной на рис. 6.1,6 при ;ледующих допущениях: а) расчетное сечение лепестка постоянное по Упругая линия /а/, расчетная схема для опре-. . деления жесткости /б/ лепестка цанги и зависимости изгибной жесткости лепестка от его конструктивных параметров всей длине; б) центральный угол сечения лепестка т 120; в) не учитывается уменьшение жесткости лепестка за счет сплющивания; г) толщины разрезной и неразрезной частей лепестка одинаковы [118, 136].
