Испытания шпиндельных узлов на станке методом траекторий

Метод траекторий в испытаниях станков возник сравнительно недавно. Первая попытка записать траекторию оси шпинделя была сделана Соколов­ским А. П. в 1951 году (рис. 5. 1). Отдавая дань научным заслугам Соко­ловского А. П., следует сказать, что созданный им кольцевой датчик сопротивления производил контактным способом, а сам датчик удерживался в руках. Естественно, при таком способе измерений можно говорить только о качественной стороне полученной траектории, по не о количествен­ных показателях. В 1973 году Балакшиным Б. С. и Базровым Б. М. [10] была снята траектория оси шпинделя токарно - винторезного станка 1А62. Они ис­пользовали в эксперименте бесконтактный метод измерения. Однако в то же время запись траектории оси шпинделя была самоцелью, и дальнейшего раз­вития метод траекторий для металлообрабатывающих станков не получил.

На рис. 3 0.1 представлена схема измерительной системы для определе­ния траектории оси шатунной шейки тракторного двигателя предложенная автором. В шатунной шейке 2 коленчатого вала под углом 90° установлены два датчика 3. Провода от датчиков по сверлениям в коленчатом валу выво­дятся к ртутному токосъемнику, который передает сигнал на неподвижные провода. Сигнал подается на усилитель 1, а затем на светолучевой осцилло­граф 4, на котором, производилась запись показаний двух датчиков. Кроме то­го, на ленте записывался сигнал от датчика угла поворота. Из-за отсутствия в то время (1970 год) ЭВМ дальнейшая обработка производилась вручную. По­лученная экспериментальная траектория оси шатунной шейки приведена на рис. 5.4.

В этом исследовании были даны методические основы измерения тра­ектории оси вращающегося вала:

- измерения производятся в декартовой системе координат, для чего используется два датчика перемещения, расположенные под углом 90°,

- сигнал от датчиков усиливается при помощи усилителя и регистри­руется при помощи осциллографа.

Эти основы до настоящего времени остаются неизменными. Изменяют­ся только конструкция датчиков, аппаратура, способы обработки информа­ции.

Только в конце XX и начале XXI века метод траекторий в испытаниях металлообрабатывающих станков получил бурное развитие, о чем говорит тот факт, что в это время было выдано автору ряд патентов на использование метода траекторий для практических целей [17 + 24].

Экспериментальные исследования проводились на базе токарно— винторезного станка МК - 3002. Схема экспериментальной установки приве­дена на рис. 10. 2. На станке устанавливалась прецизионная оправка 2, кото­рая вставлялась в шпиндель с помощью конуса Морзе, а правый конец оправ­ки поддерживался конусом пиноли. Оправку изготовляли с высокой точность: погрешности размера, овальности и биения не превышали 0, 2 мкм. На оправ­ке с помощью гайки закрепляли обрабатываемую деталь 3. Такая конструк­ция позволяет устанавливать на оправке различные детали, которые обраба­тывали резцом 6, закрепленным в резцедержательной головке 5. На шпин­дельной бабке 1 станка и его станине закрепляли кронштейн 7, в котором ус­тановлены четыре вихретоковых датчика 4. Два датчика располагаются слева от детали под углом 90° относительно друг друга, при этом один из них лежит в плоскости, проходящей через вершину резца. Два других датчика располагаются справа от обрабатываемой детали аналогично предыдущим. Наконеч­ники всех датчиков 4 взаимодействуют с

поверхностью оправки 2, в резуль­тате чего возникают сигналы, которые усиливаются в усилителе ИП - 22 и подаются на катодный осциллограф С 8 - 17. На экране осциллографа в де­картовой системе координат строились траектории оси детали.

На рис. 10.3 представлены траектории оси заготовки при работе станка на холостом ходу. Частота вращения шпинделя составляла: 800 (рис. 10.3, а), 1250 (рис. 10. 3, б), 2000 (рис. 10.3, в) и 3150 об/мин (рис. 10.3, г). На рис. 10.3, д показано наложение траекторий оси шпинделя для частот вращения 2000 и 3150 об/мин, а на рис. 10.3, е - наложение траекторий для частот вра­щения 800 и 3150 об/мин. Из рассмотрения траекторий можно сделать не­сколько заключений. Траектория оси шпинделя токарного станка мод. МК -3002 по форме близка к эллипсу, что определяется кинематическими воздей­ствиями в опорах шпинделя. Рассеяние траекторий сравнительно невелико. Это результат того, что процессы, протекающие в станке при его работе на холостом ходу, вяло выражены, так как действующие факторы сравнительно не велики.

Рис. 10.1. Схема измерительной системы определения траектория оси шатунной шейки

Рис. 10.3, Траектории оси заготовки : а) холостой ход п = 800 об/мин; б) холостой ход и = 1250 об/мин; в) холостой ход и = 2000 об/мин; г) холостой ход п = 3150 об/мин; д) сравнение холостых ходов: п - 2000 об/мин и п = 3150 об/мин; е) сравнение холостых ходов: п = 800 об/мин и и = 3150 об/мин.

На рис. 10.3, б явно видно, что записано более одного оборота шпинде­ля и второй виток траектории не совпадает с первым. Тем не менее, рассеяние не превышает 1,5 мкм. При увеличении частоты вращ-я шпинделя траекто­рия приобретает несколько большие размеры, что хорошо видаю на рис. 10.3, е, где траектории наложены друг на друга. Р-ры траектории увеличивают­ся, так как повышается центробежная сила неуравновешенных масс шпинде­ля, что приводит к дополнительной деформации в первую очередь подшип­ников качения. На рис. 10.3, а — г записаны две траектории двумя парами дат­чиков, первая из которых была установлена на расстоянии 41 мм, а вторая — на расстоянии 112 мм от корпуса шпиндельной бабки. Как видно на рис. 10.3 а — г, формы траекторий похожи, но резко отличаются размерами. Большая траектория была снята датчиками, установленными на расстоянии 112 мм, а малая - на расстоянии 41 мм от- корпуса шпиндельной бабки. Это доказывает , что в процессе работы шпиндель движется по криволинейной кони­ческой поверхности.

На рис. 10. 4 приведены траектории только для левого сеч-я, снятые в режиме резания заготовки, кот-ю обрабатывали резцом с твердосплавной пластиной Tl 5K6; у = 0; а = 8°; ф = 45°; к = 0. Глубина резания составляла t = 0, 18 мм, подача S = 0, 05 мм/об. Знач-я частоты вращ-я шпинделя ана­логичны данными, приведенными выше. Из рис. 10. 4 видно, что значительно ] увеличились колебания оси. Это является результатом резания заготовки. На траектории видны резкие выбросы, особенно заметные на режиме п — 800 об/мин (рис. 10. 4, а). На режиме п = 3150 об/мин (рис. 10. 4, г) колебания становятся значительно меньше. Как видно из рис. 10. 4 форма траекторий имеет сравнительно небольшое отличие, что объясняется тем, что при обра­ботке заготовки с глубиной резания t — 0, 18 мм на шпиндельный узел дейст­вуют нагрузки, не превышающие 45 Н.

Рис. 10.4. Траектории оси заготовки при резании ( t = 0,18 мм; 5 = 0, 05 об/мин) и при разной частоте вращения шпинделя: а) п - 800 об/мин; б) п = 1250 об/мин; в) я = 2000 об/мин; г) п -- 3150 об/мин.

На рис. 10.5 приведены траектории оси заготовки при обработке заго­товки с достоянной частотой вращения шпинделя равной п=800 об/мип и по.-дачей 5=0,05 мм/об для различных глубин резания. На рис. видно, что траектория оси шпинделя имеет наиб. плавную и близкую к окружности форму при обработке с глубиной резания 1=0,16 мм. При увеличении глубины резания на траектории возникают выбросы, кот-е явл-ся результатом колебаний. Это является результатом того, что сила резания значительно воз­растает и достигает вел-ны 160 Н. Режим точения стан-ся неустойчи­вым в рез-те возникн-я колебаний. Хотя в описанном эксперименте не были записаны колебания резца, но уже на основании (рис. 10.5, г) можно с уверенностью говорить о том, что на обработанной поверхности возникает явно выраженная волнистость, у которой вершины и впадины бу­дут соответствовать выбросам и спадам на траектории. Таким образом, (рис. 10.5) дает наглядное подтерждснпе тощ но увели1ение глубины резания приводит к снижению качества обрабатываемой поверхности.

Рис. 10.5 Траектории оси заготовки при резании с частотой вращения шпинделя и=800 об/мни с подачей S= 0,05 мм/об и глубиной резания: a) t = 0,16 мм; б) t = 0,27 мм; в) t = 0,36 мм; г) i = 0,45 мм.

Кроме того, производилась запись перемещений оси заготовки и режу­щей кромки резца по оси X на светолучевом осциллографе Н 117. На рис. 10.6, а приведена осциллограмма для режима холостого хода №=1250 об/мин, на рис. 10.6, б для режима резания к=1250 об/мин, (= 0,12 мм, 5Ч),05 мм/об, "на рис. 10.6, в для режима резания н=1250 об/мин, t= 0,26 мм, S= 0,05 мм/об. "Обработка производилась резцом с твердосплавной пластинкой Т15К6 с уг­лами ф = <р 1 = 45°. На рис. 10.6 кривая 1 соответствует показаниям отметчика _гобрротов шпинделя. Середина между положительными и отрицательными всплесками кривой соответствует положению шпинделя при ф_ш = 0 . Прямая 2- нулевая линия датчика перемещения, фиксирующего смещение оси заготовки. Кривая 3 - смещение оси заготовки. Кривая 4 - смещение вершины резца. Прямая 5 — нулевая линия датчика перемещения, фиксирующего сме­щение вершины резца.

По осциллограмме видно, что выводы: на холостом ходу смещ-е оси заготовки происходит плавно и кривая 3 близка к синусоиде, что соответствует траектории оси заготовки близкой к окружно­сти. Смещение вершины резца, обусловленное вибрацией суппорта, пренеб­режительно мало. При резании с глубиной t = 0,12 мм на кривых перемещ-я и заг-ки, и резца возникают колебания, кот-е являются результа­том нестационарного процесса резания. При резании с глубиной t = 0,36 мм колебания, как оси, так и резца сильно возрастают. Zвно просм-ся связь колебаний оси заготовки и резца, кот-е происходят практиче­ски синхронно, учитывая стохастическую природу процесса обработки реза­нием.

Иссл-я но опр-ю траекторий оси заготовки на токарно-винторезном станке МК—3002 проводилась на протяж. многих лет. В на­чале испытаний была произведена запись траекторий в двух сечениях оправ­ки, о чем было сказано выше. Эти траектории на рис. 10.7, а. По прошествии 2х лет, в рез-те испытаний теплового смещ-я оси шпинделя, было выявлено повышение уровня шума при работе станка. Это натолкнуло на мысль произвести снова запись траекторий, которые приведе­ны на рис. 10.7, б. Из сравнения траекторий (рис. 10.7, а и рис. 10.7, б) видно, что траектория (рис. 10.7, б) отличается от рис. 10.7, а тем, что на ней видно множество резких выбросов=> соприка­сающиеся пов-ти шариков и дорожки качения имеют пороки, После то­го, как был разобран шпиндельный узел обнаружено, что внутр. кольцо подшипника имеет на своей пов-ти следы виброкоррозии (рис. 10.7, в). Виброкоррозия при работе агрегата возникает когда поврежда­ется большое число углублений и выступов шерох-тей. Подшипники, поврежденные виброкоррозией, издают сильный шум особого хар-ра (он является следствием дрожания деталей подшипника). Т.о. было обнаружено, что при повреждении дорожек качения виброкоррозией, траек­тория оси вала потеряла свою плавность, и на ней явно просм-ся микроколебания, которые и явл-ся источниками характерного шума. Как видно на рис. 10.7, б, амплитуда колебаний невелика и в среднем составляет 2 — 3 мкм. Частота колебаний в данном случае была около 600—700 Гц, что хо­рошо восприним-ся слух. аппаратом человека.

Рис. 10.6. Осциллограммы перемещения оси детали и вершины резца но оскХ

Рис. 10.7. Связь состояния дорожек качения подшипника и траектории оси шпинделя: а - траектория оси шпинделя для исправного подшип­ника; б - траектория оси шпинделя после образования раковин на поверхности качения подшипника; в - внутреннее кольцо испытываемого подшипника

Т.к. процесс резания на токарном станке имеет стохастическую природу, то детерминированный подход к иссл-ям в этом случае не применим. Поэтому на следующем этапе иссл-я лучше перейти к иссл-ям с исп-ем компьютера. В качестве интерфейса применялась плата сбора данных, изготавливае­мая ЗАО «Руднев-Шиляев», типа ЛА—2. Она содержит следующие независи­мые узлы: аналогово-цифровой канал, трехканальный счетчик-таймер, циф­ровой порт ввода-вывода и интерфейс ввода-вывода. Апалогово-цифровой канал состоит из входного мультиплексора, полного инструментального уси­лителя с изменяемым коэффициентом усиления и собственно 12-разрядного АЦП с выборкой хранения, С помощью переключателя SA7 выбирают режим из 8 дифференциальных или 16 однополосных каналов. Переключателем SA8 задается коэффициент усиления инструментального усилителя в диапазоне 2-100 по выбору пользователя. 12-разрядный аналогово-цифровой преобразова­тель последовательного приближения со временем преобразования 1,6 мкс имеет два переключаемых диапазона входных напряжений (±5 и ± 10В). Час­тота кварцевого генератора 1,789763 МГц. Запуск АЦП может быть про­граммным, от таймера или от внешнего сигнала. Цифровой порт содержит 16 цифровых линий - 8 линий на вывод (порт РА) и 8 линий на ввод (порт РВ). Линии ввода и вывода независимы. Плата сбора и обработки аналоговой ицифровой информации устанавливается в компьютере с процессором Intel Pentium 150МГц с оперативной памятью SIMM 32 Мб.

На рис. 10.8 представлены траектории оси заготовки (1) и вершины резца (2), наложенные друг на друга, снятые на компьютере в режиме осцил­лографа. Траектории были сняты на станке МК—3002 в режиме реального ре­зания, при частоте вращения шпинделя п = 1250 об/мин и подаче S ~ 0,05 мм/об. Глубина резания на рис. 10.8, а составила t = 0,08 мм, на рис. 10.8, б t~ 0,18 мм и на рис. 10.8, в t = 0,42 мм.

Рис. 10.8. Траектории оси заготовки и вершины резца, построенные на экране монитора в режиме осциллографа

Из рассмотрения траектории видно, что при увеличении глубины реза­ния, размеры траекторий оси заготовки и вершины резца увеличиваются в своих размерах, что является результатом деформации деталей и узлов стан­ка, воспринимающих силу резания. Кроме того, с увеличением глубины реза­ния, на траектории оси заготовки возникают значительные выбросы, что го­ворит о нестабильности процесса резания.

Использование компьютера для записи траекторий формообразования открывает новые возможности в развитии метода траекторий при использо­вании станков для механической обработки.