способ определения жесткости узла станка

Формула изобретения

СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЖЕСТКОСТИ УЗЛА СТАНКА, включающий измерение величины упругого перемещения узла станка под действием приложенного силового воздействия и определение жесткости по соотношению величины силового воздействия и измеренного перемещения, отличающийся тем, что, с целью повышения точности определения жесткости, силовое воздействие к узлу станка прикладывают в радиальном по отношению к детали направлении при плавном увеличении усилия от нулевого до максимального значения и при плавном уменьшении до нулевого значения, после чего к узлу станка прикладывают дополнительное силовое воздействие перпендикулярно направлению перемещения узла станка при плавном увеличении радиального усилия от нулевого до максимального значения и при плавном уменьшении до нулевого значения, а жесткость определяют с использованием измеренных значений перемещений узла станка под действием соответствующих величин силовых воздействий и соответствующих значений силы трения.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к машиностроению и может быть использовано на предприятиях, эксплуатирующих оборудования для механической обработки.

Наиболее близким к предлагаемому является способ [1] включающий определение жесткости станков по формуле j P_y/y, где Р_y величина радиальной составляющей силы резания; y величина упругих отжатий системы СПИД под действием силы Р_y, определяемая по глубине канавки при ускоренной обработке по методу обратной подачи.

Недостатком известного способа является его трудоемкость, заключающаяся в том, что необходимо каждый раз обрабатывать заготовку по методу прямой и обратной подач. При изменении условий обработки, т.е. при изменении силы Р_y, изменяется и жесткость, что заставляет ее определять каждый раз заново. Способ не учитывает жесткости отдельного узла, что не позволяет рассчитать жесткость системы на стадии проектирования технологического процесса, а это ведет к потере точности обработки.

Целью изобретения является снижение трудоемкости и повышение точности.

Цель достигается тем, что в статическом состоянии нагружают узел станка, например суппорт, радиальном по отношению к детали усилием и одновременно определяют перемещение суппорта в указанном направлении при плавном увеличении усилия от нулевого до максимального значения, например в два раза превосходящего величину радиальной составляющей усилия резания, и при его плавном уменьшении от максимального до нулевого значения. По полученным данным строят график перемещений суппорта при его нагрузке от указанного усилия и в месте пересечения кривой разгрузки с осью ординат проводят прямую параллельную оси абсцисс до пересечения с кривой нагрузки, и находят величину отрезка, ограниченную пересечениями, и соответствующую ему в масштабе оси абсцисс двойную величину первой суммарной силы трения, возникающей в суппорте при его перемещении в радиальном к детали направлении. После чего к суппорту перпендикулярно к регламентируемому направлению прикладывают дополнительную нормальную нагрузку, равную касательной к детали составляющей силы резания, и в статическом состоянии повторно определяют перемещение суппорта в указанном направлении при плавном увеличении радиального усилия от нулевого до максимального значения и плавном его уменьшении от максимального до нулевого значения. Строят график перемещений суппорта от нагрузки и разгрузки и определяют величину отрезка, проведенного параллельно оси абсцисс и ограниченного пересечениями оси ординат и кривыми разгрузки и нагрузки, и соответствующую ему в масштабе оси абсцисс двойную величину второй суммарной силы трения суппорта, а жесткость узла станка при обработке определяют из соотношения

j

P_xz= , где F₁, F₂ суммарная сила трения в элементе станка без дополнительной и с дополнительной нормальной к регламентируемому направлению нагрузкой соответственно; N дополнительная нормальная нагрузка, приложенная к элементу станка перпендикулярно к регламентируемому направлению; Р_х, Р_z- силы, действующие при обработке детали в плоскости, перпендикулярной к регламентируемому направлению в направлении подачи и скорости обработки соответственно; знак минус берется при определении жесткости при возрастании нагрузки, знак плюс при убывании нагрузки.

На фиг. 1 изображена схема сил, действующий на узел станка, при определении суммарной силы трения в случае приложения нагрузки в регламентируемом (радиальном) направлении; на фиг.2 график перемещений узла станка от нагрузки Р_у; на фиг.3 cхема сил, действующих на узел станка при определении суммарной силы трения в случае приложения взаимно перпендикулярных сил Р_y и N; на фиг.4 график перемещений узла станка от нагрузки Р_y для случая схемы сил фиг.3.

Способ определения жесткости узла станка осуществляют следующим образом.

Исследуемый узел станка, например суппорт 1, нагружают силой Р_y в регламентируемом направлении. За регламентируемое направление обычно принимают направление, наиболее вливающее на размер обрабатываемой детали 2. Таким направлением является радиальное к детали 2 направление, лежащее в плоскости подач (фиг.1). Силу Р_y прикладывают или непосредственно к суппорту 1, или к закрепленному в нем инструменту 3. Суппорт 1 нагружают силой Р_у с плавным ее изменением от нулевого до максимального значения с одновременным измерением упругих перемещений суппорта. Суппорт перемещается при этом в направлении, показанном сплошной стрелкой V (фиг.1). После чего суппорт разгружают, т.е. плавно уменьшают силу Р_y до нуля и тоже замеряют перемещение суппорта от исходного положения под действием силы контакта R_k. По полученным данным строят графики перемещений суппорта при увеличении нагрузки Р_y (кривая 4 нагрузки, фиг. 2) и при уменьшении нагрузки Р_y (кривая 5 разгрузки, фиг.2). Направление перемещений со скоростью V и направление сил трения показано на фиг. 1 и 3 сплошной линией при нагрузке, пунктирной при разгрузке. Выбирают максимальное значение силы Р_y, в два раза превосходящее значение величины радиальной составляющей силы резания при последующей обработке, что составляет полную гарантию достижения двойной величины суммарной силы трения, действующей на суппорт, при ее определении. В месте пересечения кривой 5 разгрузки с осью ординат ОY из точки С₁ проводят прямую С₁В₁, параллельную оси абсцисс ОР_y. Точка В₁является точкой пересечения этой прямой с кривой 4 нагрузки. Замеряют от резок С₁В₁ и исходя из масштаба оси абсцисс ОР_у, определяют двойную величину первой суммарной силы трения (фиг.2). С₁В₁ 2F₁ и F₁ 0,5 (С₁В₁). В системе координат Y₁F₁P₁ уравнение кривой 4 нагрузки имеет вид Y₁ CP₁ⁿ (определяется экспериментально). Такое же уравнение будет для идентичной кривой 6 (проведена пунктиром) в системе координат Y_oP_y) (фиг.2). Перемещение суппорта по кривой 6 осуществлялось бы, если бы сила трения в узле равнялась нулю, т.е. это теоретическая кривая. Тогда кривые 4 и 5 в системе координат Y_oP_y имеют вид соответственно: Y C(P_y F₁)ⁿ, (1) Y C(P_y + F₁)ⁿ. (2) Сила трения F₁ обусловлена нормальным давлением N_o, возникающим в узле в результате наладки, сборки и настройки станка к работе. После чего к суппорту 1 перпендикулярно к регламентируемому направлению OY прикладывают дополнительную нагрузку N, т.е. NP_y (фиг.3). В частном случае нагрузка N может быть равна и параллельна касательной к детали 2 составляющей силы резания Р_хz,

P_xz= , где Р_х, Р_z силы, действующие при обработке детали к плоскости, перпендикулярной к регламентируемому направлению в направлении подачи S и скорости обработки V_o соответственно. Узел станка, например суппорт 1, в статическом состоянии (без обработки детали) плавно нагружают силой Р_yот нулевого до максимального (прежнего) значения с измерением перемещений суппорта в регламентируемом (радиальном) направлении, т.е. вдоль оси ОY. Сила Р_хz остается неизменной. Далее плавно уменьшают силу Р_y до нулевого значения и фиксируют перемещения суппорта. Строят график перемещений суппорта (фиг.3) при его нагрузке и разгрузке, кривые 7 и 8 соответственно. Находят точку С₂ пересечения кривой разгрузки с осью ординат ОY и проводят прямую, параллельную оси ОP_y до пересечения в точке В₂ с кривой 7 нагрузки. Определяют в масштабе оси абсцисс ОР_увеличину отрезка С₂B₂, равную двойной величине второй суммарной силы трения F₂, С₂B₂ 2F₂ и F₂ 0,5 (С₂B₂). При этом уравнения кривых 7 и 8 имеют вид соответственно Y C(P_y F₂)ⁿ, (3) Y C(P_y + F₂)ⁿ (4) Далее можно определить коэффициент трения скольжения в узле станка.

tg где угол трения скольжения.

Тогда жесткость станка при обработке равна

j или

j

P_xz= (5) где F₁, F₂ суммарная сила трения в узле станка без дополнительной и с дополнительной нормальной к регламентируемому направлению нагрузкой соответственно; N дополнительная нормальная нагрузка, приложенная к узлу станка перпендикулярно к регламентируемому направлению; P_x, P_z силы, действующие при обработке детали в плоскости, перпендикулярной к регламентируемому направлению в направлении подачи и скорости обработки соответственно; знак минус берется при определении жесткости при возрастании нагрузки, знак плюс при убывании нагрузки. Если в соотношении (5) положить N P_хz, то его можно упростить, но оно при этом теряет свою универсальность.

j (6)

П р и м е р. Определяют жесткость суппорта станка при обработке, если силы резания равны: P_х 100 Н; Р_y 1000 Н; P_z 800 Н. Экспериментально по вышеприведенной методике установлено: F₁ 165Н; F₂= 360 Н при N 1000 Н, а перемещение суппорта от нагрузки без учета сил трения имеет вид: Y 0,81210^-6 Р_y^1,55677 мм, P_y в Н. Используя зависимость (5), определяют искомую величину:

Берут знак минус, поскольку силы резания возросли до указанной величины и не меняются. Тогда j 60575,5 Н/мм.

Определение жесткости узлов станка по приведенному способу в статике сокращает трудоемкость, поскольку обследовав однажды каждый узел станка, т. е. определив силы F₁, F₂ и коэффициент трения скольжения можно определить жесткость оборудования на каждом переходе, операции и т.д. в каждый момент времени, рассчитав предварительно силы резания. Можно узнать слабый по жесткости переход или операцию, принять меры по увеличению жесткости и тем самым повысить точность обработки. Зная изменение силы обработки во времени, можно рассчитать изменение жесткости узла во времени, тем самым изменение точности обработки во времени.

Способ прост по осуществлению, позволяет применять его в производственных условиях, лабораториях НИИ.

Испытания предложенного способа показали его правильность, доступность и нетрудоемкость.