Испытание податливости шпиндельного узла

Под жесткостью станков понимают их способность сопротивляться упругим деформациям при силовом нагружении. Жесткость j - отношение силы F к соответствующему упругому смещениюy:

Величину, обратную жесткости, называют податливостью:

Податливость оказывает решающее влияние на основные выходные показатели станков - точность и производительность, в том числе на качество обработанной поверхности, виброустойчивость, стойкость инструмента, долговечность конструкций. Податливость выступает и как критерий качества, и как критерий расчета размеров несущей системы станков, и с этих

позиций ее роль в технологии машиностроения более значительна, чем прочность. С понижением податливости производительность станков увеличивается благодаря повышению их виброустойчивости, предельных размеров резания, стойкости инструмента, снижения погрешности копирования.

Влияние податливости станка на точность обработки проявляется в процессе изменения действующих сил и изменения самой податливости. Так как податливость различных узлов станка разная, это приводит к тому, что в процессе обработки заготовки форма её искажается по разному. Жесткая цилиндрическая деталь, обработанная в центрах, приобретает корсетность, а деталь, имеющая низкую жесткость, приобретает бочкообразность. В зонах входа и выхода инструмента происходит завалка поверхности, так как силы резания, а, следовательно, и отжатия в системе меньше, чем при установившемся резании.

Податливость станков в значительной степени определяет их динамические качества. Для виброустойчивости существенное значение имеют суммарная податливость системы, направление осей податливости и податливость отдельных элементов, участвующих в колебаниях.

Различают статический, динамический и производственный методы измерения податливости.

Производственный метод измерения податливости сводится к обработке за один проход участков заготовки с разными припусками(обработка ступенчатого валика или валика с эксцентричным пояском). Изменение припуска вызовет соответствующее изменение сил резания и размера заготовки. По изменению сил резания, определяемых расчетом, и размеров оставшихся ступеней обработанной заготовки определяют податливость станка.

При статическом методе исследования податливости станок последовательно нагружают силой через равные интервалы и регистрируют соответствующее смещение. Затем, через те же интервалы станок разгружают. В координатах сила—смещение строят график, который представляет собой характеристику силовых смещений. Площадь, ограниченная характеристикой силовых смещений, отражает работу сил трения и в меньшей степени потенциальную энергию остаточных сил упругости.

Статическую податливость станка измеряли следующим образом: создавали внешнюю нагрузку на станок, равную 200 Н, ее величину контролировали динамометром. В процессе измерений было установлено, что после окончания нагружения узлы станка некоторое время продолжают деформироваться. Поэтому по окончании нагружения делали паузу, равную 2 мин., после чего показания индикаторов записывали в таблицу. Затем нагрузку увеличивали еще на 200 Н и процесс повторяли. После достижения максимальной нагрузки, равной 2000 Н, нагрузку снижали также ступенями в 200 Н. Так как многие факторы, влияющие на изменения, в ходе процесса изменяются, что присуще любому процессу, имеющему стохастическую природу, результаты измерений обрабатывали методами математической статистики. Результаты статистической обработки представлены в графическом виде.

В соответствии с испытаниями нагрузочные ветви характеристик начинаются в начале координат, а разгрузочные ветви не возвращаются в исходное положение, и при внешней нагрузке, равной нулю, отсекает на оси абсцисс определенный отрезок. В типовых методиках и программах испытаний металлорежущих станков, разработанных в ЭНИМСе, предусмотрена проверка радиального зазора (натяга) в переднем опорном подшипнике. В методике говорится о том, что, если разгрузочная ветвь характеристики проходит через ось ординат выше начала координат, то в опоре имеется зазор, равный величине отсекаемого отрезка. Все нагрузочно - разгрузочные характеристики имеют точки перелома. Это объясняется тем, что нагрузочно - разгрузочные характеристики есть кривые относительных перемещений, происходящих в соединениях деталей при наличии зазоров и контактных деформаций в стыках. Число стыков и соединений для шпинделя составило более двух десятков. Перемещения в них хаотичны, поэтому нагрузочно- разгрузочные характеристики являются ломаными линиями. Площадь диаграммы между нагрузочной и разгрузочной ветвями отражает работу сил трения и потенциальную энергию остаточных деформаций микронеровностей.

Экспериментальные исследования с целью определения податливости оси системы шпиндель-патрон-заготовка токарного станка были проведены с помощью установки, размещенной на его станине (лаб. Раб. №9). Эксперименты проводили в следующем порядке: создавали нагрузку P=200 Н и снимали показания со всех индикаторов. Сначала нагрузку ступенчато увеличивали с шагом 200 Н до максимальной 1200 Н, а затем ступенчато уменьшали. После каждого изменения нагрузки снимали показания индикаторов. Для получения достаточного статического материала цикл нагружения повторяли несколько раз.

Эксперимент. данные обрабатывали на компе с использованием методов математической статистики. Были определены значения математического ожидания, дисперсии и законы распределения статических смещений оси системы шпиндель—патрон-заготовка, а так же построены нагрузочно-разгрузочные характеристики этой системы для точек, в которых установлены индикаторы. Площадь между нагрузочной и разгрузочной ветвями каждой характеристики соответствовала затратам энергии на пластические микродеформации в соединениях деталей станка.

Для построения оси системы шпиндель-патрон-заготовка использовали средние значения смещений, для чего в петле каждой характеристики, полученной при Р=200-1200 Н, проводили среднюю линию.

Поскольку измерения по длине оси системы проводили в четырех ее точках, то получили линии, состоящие из трех участков

За начало отсчета длины оси системы принят торец фланца, закрепленного на корпусе шпиндельной бабки. В действительности ось представляет собой плавную кривую, максимальное искривление которой не более 0,6 мм на длине l=200 мм.

Наиболее характерные точки оси системы лежат в сечениях, в которых эта ось искривляется. Первое сечение лежит в плоскости соединения фланца шпинделя с левым торцом патрона. Второе сечение находится в плоскости, проходящей через вершины кулачков в месте соединения патрон-заготовка. Углы наклона отрезков кривой характеризуют искривление оси системы в этих точках при нагрузке Р=200 Н.

Для оценки динамической податливости была использована экспериментальная установка , реализующая метод траекторий. Результаты испытаний приведены на рис. 12.5. При экспериментах оправку нагружали сосредоточенной радиальной силой Р=0; 250; 500 и 1000 Н, имитирующей силу резания. Снятые траектории имели примерно одинаковую форму, но были несколько смещены относительно друг друга под действием силы Р. Такое же явление наблюдалось при снятии траекторий оси во всем диапазоне частот вращения шпинделя. На основе экспериментальных данных построены графики динамической податливости Δд оси заготовки в зависимости от параметров Р и n (рис. 12.6). Расчеты показали, что динамические смещения во всем диапазоне измерения нагрузки и частоты вращения шпинделя меньше статических. Эти результаты доказывают, что в динамике недопустимо использовать данные, полученные в статике. Меньшие значения динамической податливости по сравнению со статической объясняются тем, что при увеличении силы резания деформация шпинделя, патрона и особенно заготовки; происходит запаздывание.

Билет №7