Научная электронная библиотека
Монографии, изданные в издательстве Российской Академии Естествознания
1.1.Проблемы балансировки шпинделей
Повышение мощности и быстроходности шпинделей приводит к повышение скоростей при шлифовании, что повышает требования к качеству балансировки как шпинделя отдельно, так и с инструментом (шлифовальным кругом), при этом даже малая неуравновешенная масса на шлифовальном круге вызывает недопустимые для машины центробежные силы. При этом уровень вибрации шпинделя с инструментом оказывает негативное влияние на точность вращения шпинделя, качество обрабатываемой поверхности, ресурс машины и износ шлифовального круга.
Большая часть шпинделей металлообрабатывающих станков и шлифовальных машин считаются жесткими [26], т.е. их относительными деформациями при вращении на рабочих скоростях можно пренебречь. Повышение быстроходности шпинделя с одной стороны и уменьшение массы машины с другой приводит к использованию в машиностроении гибких шпинделей. В этом случае резонансные режимы находятся либо в зоне рабочих режимов, либо в непосредственной близости от нее, что усложняет задачу балансировки шпинделей.
Применение упругих опор при снижении вибрации во время работы или для установки пассивных АБУ ставит задачу о преодолении шпинделем критических скоростей, при которых даже незначительная неуравновешенность может привести к поломке машины [41-43]. Другими конструктивными факторами, снижающими вибрацию шпинделя, являются: выбор материала с высоким внутренним трением; повышение жесткости шпинделя; выбор рационального расположения элементов относительно опор и др. [7].
Важной задачей при проектировании металлообрабатывающего станка является уменьшение вибрации шпинделя, а вместе с ним и станка. Вибрация в свою очередь негативно влияет на многие факторы, начиная от долговечности и прочности различных узлов, кончая более быстрой утомляемостью работника и высоким уровнем шума [25, 37, 74].
Очевидно, что основным источником вибрации служит вращение неуравновешенных масс на шпинделе. Если ось вращения шпинделя совпадает с главной центральной осью инерции (ГЦОИ), то вибрация не передается на опоры [151].
Шпиндель металлообрабатывающего станка в производственном отношении проходит этапы конструирования, изготовления и эксплуатации. Каждый из этих этапов может служить источником возникновения соответствующей составляющей неуравновешенности. Поэтому значения дисбаланса в каждой из плоскостей коррекции складываются из векторной суммы конструкционного, технологического и эксплуатационного дисбалансов [29].
При разработке деталей шпинделя проектировщик вынужден заведомо вносить дисбаланс посредством применения несимметричных конструкций шпинделей, либо вводить в детали шпинделя пазы, шпонки, вырезы выступы и другие элементы, увеличивающие конструкционный дисбаланс. Поэтому особое внимание нужно уделять на взаимную сбалансированность диаметрально располагаемых элементов: болтов, шпилек, стяжек и т.д. с тем, чтобы на стадии конструкторской проработки обеспечить наиболее полную сбалансированность шпинделя. Иными словами ось вращения шпинделя должна как можно точнее совпадать с ГЦОИ. Так же необходимо производить отстройку собственных частот резонирующих деталей путем изменения их формы или веса, повышать требования к точности изготовлений деталей и др.
При наличии всевозможных лабиринтных, маслозащитных, регулировочных, компрессионных и других колец в зоне подшипников, необходимо чтобы торцы колец были перпендикулярны к оси вращения во избежании торцевых биений и перекосов. Необходимо производить расчет критических частот шпинделя путем изменения массы и формы деталей вывести их за рабочие обороты.
Следующая стадия производственного процесса связана с выполнением различных технологических процессов, включающих отливку, штамповку, механическую и термическую обработку деталей шпинделя, сборку их в узлы и сборку всего шпинделя. Для уменьшения дисбаланса, возникающего на этой стадии проектирования, должны быть наложены ограничения по отклонениям формы и размеров в продольном и поперечном сечениях, максимальные отклонения взаимного расположения деталей.
Основными причинами появления дисбаланса деталей являются как неточности их изготовления, так и неточная сборка узлов агрегата. Таким образом, конструктивный и технологический дисбалансы предопределяют первоначальную неуравновешенность шпинделя, которая, как правило, уравновешивается однократно, например, на балансировочных станках перед началом эксплуатации и в дальнейшем ее влияние не учитывается на динамику шпинделя [20].
При последующей эксплуатации станков сбалансированное состояние шпинделя может быть существенно нарушено, что подтверждается практикой и многочисленными данными экспериментов [29, 106]. Кроме постоянно изменяющегося во времени дисбаланса шлифовального круга происходит одновременная разбалансировка самого шпинделя.
Причины разбалансировки шпинделей в процессе эксплуатации весьма разнообразны. Сбалансированность шпинделя может измениться с течением времени из-за структурных превращений в материале, приводящих к изменению размеров и формы деталей. В процессе эксплуатации станков происходят упругие и температурные деформации конструктивных элементов из-за различия упругих свойств и коэффициентов теплового расширения, что вызывает изменение положения центра масс шпинделя. На шпиндель могут быть установлены сменные насадки, обладающие первоначальной неуравновешенностью, либо вносящие неуравновешенность путем неточной установки их на шпинделе.
В процессе эксплуатации станков наиболее значительные неуравновешенности возникают из-за причин, зависящих от свойств абразивного круга с фланцами [26]. Здесь важными факторами являются: неравномерная плотность материала шлифовального круга; погрешности взаиморасположения плоскостей круга; погрешность расположения круга на станке при монтаже; неравномерная по радиусу и углу пропитка круга смазочно-охлаждающей жидкостью; неравномерность заполнения пор круга отходами шлифования. Кроме того, каждый новый шлифовальный круг в процессе поставки имеет свой индивидуальный дисбаланс зависящий от класса точности [76], что существенно изменяет эксплуатационный дисбаланс шпинделя после замены круга.
Таким образом, общий дисбаланс шпинделя в каждой из плоскостей коррекции характеризуется суммой трех описанных выше составляющих и разделяется на постоянную часть (конструкционная и технологическая) и изменяющуюся в процессе эксплуатации (эксплуатационная). Первая часть имеет постоянную величину, направление и ограничена значением допустимого дисбаланса в заданном классе точности.
Изменение второй части во времени происходит с различными скоростями и за период эксплуатации машины носит, как правило, случайный характер. Наиболее важным фактором является эксплуатационный дисбаланс шлифовального круга, меняющийся во время работы на порядки быстрее, чем эксплуатационный дисбаланс только шпинделя.
Из вышесказанного следует, что до эксплуатации машины с помощью балансировочных станков, измерительных стендов и других устройств можно уравновесить шпиндель, так, чтобы он удовлетворял стандартам [129]. Однако, через определенное время динамическое состояние агрегата неизбежно ухудшится, поэтому, исходя из условий эксплуатации, необходимо производить либо ручную добалансировку, либо применять АБУ.
Ручная балансировка шпинделя приводит к простою техники во время балансировки, повышенному вибро-динамическому состоянию станка во время эксплуатации, требует на предприятии лишних операторов, занимающихся балансировкой, и уменьшению точности вращения шпинделя с одновременным ухудшением качества обрабатываемой поверхности. Избавиться от выше описанных проблем можно посредством применения в составе шпинделя АБУ.
Устранение разбалансировки шпинделей в процессе эксплуатации необходимо осуществлять в двух направлениях.
1) Увеличение стабильности конструкции.
Большое значение для увеличения стабильности конструкции шпинделя имеет рациональный выбор конструкции, тщательный подбор материалов элементов шпинделя, цапф, типов подшипников и др. В штифтовых соединениях – выбор натягов по штифтам, чистоты поверхности, точности изготовления штифта и отверстия. Немаловажное значение имеет неоднородность материала деталей и так далее [83], поэтому желательно использовать шлифовальные круги как можно большего класса точности.
2) Создание методов и средств уравновешивания шпинделей на ходу.
Поскольку установить соотношение между основными и второстепенными причинами, влияющими на динамику шпинделя, очень сложно, то необходимо разрабатывать такие методы уравновешивания быстроходных шпинделей, при которых причины происхождения дисбаланса не будут иметь значения. Так как дисбаланс зависит от оборотов и растет в процессе эксплуатации, то вновь разрабатываемые методы балансировки должны предусматривать возможность уравновешивания шпинделей на ходу, т.е. без остановки машины. Наиболее надежным способом борьбы с этим является использование в конструкции шпинделя АБУ [98], тем более, что большая часть разработанных АБУ имеют достаточно простую конструкцию и могут быть вписаны в габариты существующих конструкций шпинделей станков [120]. Все это указывает на целесообразность дальнейших исследований в области по автоматического уравновешивания шпинделей для повышения их точности вращения.