Введение к работе
Актуальность темы. Современный уровень требований к точности, быстроходности и долговечности шпиндельных узлов (ШУ) характеризуется следующими показателями погрешность вращения менее 0,5 мкм, долговечность более 5000 ч, быстроходность более 5 105 мм мин'1
Достижение таких высоких показателей при шлифовании изделий с использованием шпиндельных узлов на опорах качения осложняется сравнительно малой окружной скоростью резания, что вынуждает прибегать к сильному прижатию круга Это приводит к изгибу оправки, искажению геометрии изделия и к снижению качества шлифуемой поверхности из-за засаливания круга Применение в конструкциях высокоскоростных шпиндельных узлов гидростатических и гидродинамических подшипников приводит к ограничению частоты вращения шпинделя (из-за потерь на трение) Шпиндели на электромагнитных опорах пока не нашли широкого применения вследствие сложности и высокой стоимости шпинделей и электронных систем управления
Внедрение в конструкцию шпиндельных узлов подшипников на газовой смазке позволяет повысить жесткость и массу шпинделя путем увеличения диаметра рабочих шеек при одновременном повышении окружной скорости шлифовального круга Последнее позволяет осуществлять шлифование с большими подачами, что приводит к повышению производительности труда, улучшению качества шлифования и уменьшению чувствительности к дисбалансу оправки и круга, так как их масса заметно меньше массы шпинделя
В отраслевых конструкциях высокоскоростных ШУ на газовых опорах традиционно используют подшипники с дроссельными ограничителями расхода, которые, как известно, имеют сравнительно невысокую несущую и демпфирующую способность смазочного слоя Исследования, выполненные в Комсомольском-на-Амуре государственном техническом университете, показывают, что существенно улучшить выходные характеристики ШУ способны газостатические подшипники с частично пористой стенкой вкладыша, особенности работы которых в составе ШУ в настоящее время остаются наименее изученными
Поэтому задача создания высокоскоростных ШУ с подшипниками на газовой смазке, обеспечивающих высокие эксплуатационные характеристики, имеет приоритетное значение Решению этой актуальной для технологии машиностроения задачи и посвящена настоящая работа
Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является повышение» эффективности работы высокоскоростных ШУ внутришлифовальных металлообрабатывающих станков путем внедрения в их конструкцию частично пористых газостатических опор
Для достижения поставленной цели решаются следующие задачи
- разработать научно обоснованную методику проектирования высокоскоростных ШУ с частично пористыми газостатическими опорами на основе создания математической модели, алгоритма и программы расчета их выход-
ных характеристик,
выполнить комплекс физических экспериментов по исследованию выходных характеристик модели ШУ,
экспериментальным путем сравнить выходные характеристики ШУ на опорах с пористыми ограничителями расхода и питающими отверстиями,
в широком диапазоне изменения конструктивных и режимных параметров путем численного эксперимента исследовать особенности выходных характеристик ШУ с частично пористыми подшипниками,
создать опытно-промышленный образец высокоскоростного пневмош-пинделя на частично пористых опорах для внутришлифовального станка,
выработать рекомендации и разработать инженерную методику по проектированию ШУ с газостатическими частично пористыми подшипниками
Научная новизна состоит в следующем.
предложена математическая модель течения газа в зазоре газостатического подшипника с пористыми шпоночными вставками с учетом перекоса оси вала;
предложена методика расчета эксплуатационных характеристик ШУ на газостатических опорах с пористыми шпоночными вставками,
установлены выходные характеристики ШУ и эксплуатационные характеристики газостатических опор с пористыми шпоночными вставками в зависимости от безразмерных комплексов и параметров, которыми удобно пользоваться при проектировании,
приведены результаты экспериментальных исследований выходных характеристик ШУ на газостатических опорах с пористыми шпоночными вставками, а также результаты сравнительных экспериментальных исследований эксплуатационных характеристик ШУ с пористыми ограничителями расхода и питающими отверстиями
Метод исследования сочетает физический эксперимент и теоретический анализ Решение задачи о расчете выходных характеристик ШУ на газостатических подшипниках с частично пористой стенкой вкладыша базируется на системе фундаментальных в теории газовой смазки уравнений и ведется в рамках численного метода решения уравнения Рейнольдса При экспериментальном исследовании ШУ используются хорошо апробированные на практике методики измерения и обработки опытных данных
Достоверность результатов работы обеспечивается использованием хорошо известной в теории газовой смазки системы исходных уравнений и подтверждается сопоставлением результатов теоретического расчета и экспериментального исследования выходных характеристик ШУ
Практическая ценность работы заключается в разработанной программе расчета эксплуатационных характеристик ШУ на газостатических подшипниках с пористыми шпоночными вставками, которая позволяет эффективно решать задачу проектирования высокоскоростных ШУ.
Предложена защищенная патентом РФ конструкция газостатического
подшипника с пористыми шпоночными вставками для высокоскоростных ШУ.
Выполненные исследования позволили сформулировать ряд практических рекомендаций и разработать инженерную методику по проектированию ШУ на газостатических опорах с пористыми вставками
Результаты работы легли в основу создания опытно-промышленного образца внутришлифовального шпинделя для ООО «АСЗ-Машиностроитель».
Результаты работы используются также в учебном процессе на кафедре «Технология машиностроения» ГОУВПО «КнАГТУ»
Личный вклад автора состоит в постановке задачи исследований
Автором разработана математическая модель течения газа в зазоре частично пористого подшипника, методика расчета выходных характеристик ШУ на газостатических опорах с пористыми шпоночными вставками, на основе которых разработан алгоритм и программа расчета на ПЭВМ
Спроектирована и создана экспериментальная установка, моделирующая работу ШУ на газостатических опорах Выполнен весь комплекс экспериментов с последующим анализом экспериментальных и теоретических данных Разработана методика и рекомендации по проектированию исследуемого типа ШУ на опорах с пористыми шпоночными вставками
При личном и непосредственном участии автора разработана конструкция, изготовлены узлы, проведены монтаж, наладка и испытания высокоскоростного ШУ внутришлифовального станка для обработки особо ответственных изделий
На защиту выносятся:
математическая модель течения газа в зазоре предложенной газостатической опоры, алгоритм и методика расчета эксплуатационных характеристик ШУ на частично пористых газостатических подшипниках,
результаты физического эксперимента и численного расчета выходных характеристик ИГУ с частично пористыми газостатическими подшипниками, а также зависимости эксплуатационных характеристик опор от конструктивных и режимных параметров,
методика и рекомендации по проектированию ШУ, работающих на газостатических опорах с пористыми шпоночными вставками,
результаты практического использования разработанной математической модели, методики расчета и рекомендаций, представленных в виде эксплуатационных характеристик высокоскоростных ШУ металлообрабатывающих станков
Апробация работы. Научные положения и результаты исследований докладывались и обсуждались на международных, всероссийских и межрегиональных конференциях и семинарах «Повышение эффективности инвестиционной и инновационной деятельности в Дальневосточном регионе и странах АТР» (г Комсомольск-на-Амуре, 2005 г ), «Новые материалы и технологии в авиакосмической и ракетно-космической технике» (г. Королев Московской обл, 2005 г), «Авиация и космонавтика» (г Москва, 2005, 2006 гг), «Актуаль-
ные проблемы науки и образования» (Варадеро, 2006 г), «Фундаментальные исследования в технических университетах» (г. Санкт-Петербург, 2006 г), «Наука и устойчивое развитие общества Наследие В И. Вернадского» (г Тамбов, 2006 г )
Основные положения и результаты работы докладывались также на профилирующих кафедрах КнАГТУ (2008 г )
Публикации. Основные материалы диссертации опубликованы в 15 работах
Структура и объем работы. Диссертация состоит из оглавления, введения, четырех глав, заключения, библиографического списка и приложения Диссертация изложена на 207 страницах и включает 144 рисунка и 3 таблицы Библиографический список охватывает 143 литературных источников
Диссертационная работа выполнена при поддержке гранта Министерства экономического развития и внешних связей Хабаровского края по проекту «Создание высокоскоростных прецизионных шпиндельных узлов металлорежущих станков с высокими эксплуатационными характеристиками и повышенной параметрической надежностью»
