Автореферат (Разработка методов расчета статических и динамических характеристик шпиндельных узлов со сферическими аэростатическими опорами)

На правах рукописиПошехонов Роман АлександровичРАЗРАБОТКА МЕТОДОВ РАСЧЕТА СТАТИЧЕСКИХ ИДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ШПИНДЕЛЬНЫХ УЗЛОВ СО СФЕРИЧЕСКИМИ АЭРОСТАТИЧЕСКИМИ ОПОРАМИ01.02.06 – Динамика, прочность машин, приборов и аппаратуры;Авторефератдиссертации на соискание учёной степеникандидата технических наукМосква – 2015Работа выполнена в Московском государственном техническом уни­верситете имени Н.Э. Баумана.Научный руководитель-Гуськов Александр Михайлович, доктортехнических наук, профессорОфициальные оппоненты: Банах Людмила Яковлевна, доктор техниче­ских наук, главный научный сотрудник ФГБУНИМАШ им. А.А. БлагонравоваКозочкин Михаил Павлович, доктор техниче­ских наук, профессор, профессор кафедры «Вы­сокоэффективные технологии обработки»ФГБОУ ВПО МГТУ СТАНКИН»Ведущая организацияПриокский государственный университетФедеральное государственное бюджетное обра­зовательное учреждение высшего образованияЗашита диссертации состоится «24» февраля 2 0 1 6 г.

в 14.00 часов на засе­дании диссертационного совета Д 2 1 2 . 1 4 1 . 0 3 при Московском государствен­ном техническом университете им. Н.Э. Баумана по адресу: 1 0 5 0 0 5 , г. Москва,2-я Бауманская ул., д. 5, стр. 1 .Ваш отзыв в двух экземплярах, заверенных гербовой печатью, просьба направ­лять по адресу: 1 0 5 0 0 5 , г.

Москва, 2-я Бауманская ул., д. 5, МГТУ им. Н.Э. Бау­мана, учёному секретарю диссертационного совета Д 2 1 2 . 1 4 1 . 0 3С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке и на сайте Московского гос­ударственного технического университета имени Н.Э. БауманаЬйр://\V^V^V.Ьт51:и.^и.Автореферат разослан «29» декабря 2 0 1 5 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.141.03А.Ю.

КарпачевОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫАктуальность. Сегодня прецизионные и (или) высокоскоростные станкичасто оснащаются аэростатическими шпиндельными узлами, характеристикикоторых в значительной степени определяют достижимую производительностьи точность. При сборке аэростатического шпиндельного узла традиционнойсхемы с плоскими и цилиндрическими опорами необходимо с высокой точностью взаимно расположить 3 пары опорных поверхностей. Погрешности расположения, характеризуемые 10 параметрами, ограничивают минимальную величину зазора, а остаточные перекосы опор порождают биения шпинделя привращении.При использовании сферических аэростатических опор (САО) необходимо контролировать лишь разницу расстояний между центрами. Это позволяетуменьшить воздушный зазор и расход воздуха, повысив жёсткости, вязкие сопротивления опор и частоты колебаний шпинделя по сравнению с традиционной компоновкой. Самоустановка САО исключает порождение биений от перекоса опор.При применении пористых ограничителей наддува вместо распространённых точечных уменьшается склонность к потере устойчивости типа «пневмомолоток», повышает жёсткость и вязкость опор.

Указанные достоинства пористых САО очень востребованы в станкостроении. Известна серия патентовСША конструкций шпиндельных узлов с САО, но информация по расчётнымсхемам и параметрам отсутствует, а поставки такого оборудования в Россиюограничены. Сложность выбора оптимальных параметров шпиндельных узлови режимов обработки привели к проведению большого исследования, этапы которого представлены на Рис. 1.Данная работа отражает этапы3 и 4 по моделированию аэростатических опор и динамики шпинделя.Точность и полнота разработанныхмоделей проверялась экспериментально.

При экспериментах был обнаружен ряд явлеРис. 1. Этапы прогнозирования качественных показатений и несоответлей шпиндельных узловствий, которые были объяснены лишь после последовательного усложнения расчётных схем,расширения программы экспериментов и идентификации параметров шпин1дельных узлов, что отражено в данной работе. Разработанные модели и расчётные методики имеют самостоятельную значимость, поскольку позволяют определять ряд качественных показателей (Рис.

1) и предложить рекомендации дляпроектирования, но весь потенциал разработанных моделей и методик можетбыть раскрыт лишь при переходе на следующие этапы исследования. Разработанные модели могут быть применены к другим устройствам с САО.Объект исследования шпиндельные узлы с двумя пористыми САО. Параметры узлов РТШ 020 и НШУС 110, указаны в приложении и работах [1-4].Цель работы: разработка методов прогнозирования динамических и статических характеристик шпиндельных узлов с пористыми САО.Выполненные задачи: 1. Созданы математические модели пористыхСАО, позволяющие учитывать разные режимы газового слоя и определять статические и динамические силовые характеристики опор с перекрёстным влиянием. 2.

Разработана математическая модель динамики шпиндельного узла дляоценки влияния статических и динамических воздействий, определения частоти форм колебаний, биений при произвольной неуравновешенности. 3. Выполнена экспериментальная проверка расчётных моделей, включающая идентификацию не стандартных параметров (проницаемости kp, радиального зазора h0) иизмерение эксплуатационных характеристик: статических (статической жёсткости и несущей способности) и динамических (частот и демпфирования свободных колебаний, жёсткости и вязких сопротивлений в разных направлениях).Реализация математических моделей. Расчёт опор проведён на основенелинейного уравнения Рейнольдса газовой смазки методом конечных элементов в программах Comsol Multiphysics 3.5a и MATLAB R2007b. Моделированиединамики выполнено на основании теоретической механики в программномкомплексе MATLAB.

Описание пространственной динамики системой ОДУ 12ого порядка выполнено с применением тензорно-матричного языка и символьных вычислений в Mathcad 14. Расчёт форм и частотных характеристик линеаризованной динамической системы осуществлён методами модального анализа на основании теории колебаний.Методы экспериментальных исследований: непосредственное измерение статических силовых характеристик и осевого люфта; измерение шероховатости на конфокальном оптическом микроскопе и АСМ; ударная вибродиагностика откликов-перемещений с помощью построения огибающих, БДПФ,метода Прони. Прони-разложение, построение огибающих и аппроксимирующих завистей для расхода и выбега выполнены методами оптимизации по среднеквадратичным взвешенным невязкам.Достоверность результатов обеспечена строгостью математических методов, отказом от ряда кинематических гипотез, проверкой сходимости придроблении конечных элементов, сравнением экспериментальных и расчётныхрезультатов.Научная новизна.

Впервые, на основании обобщения известных математических моделей динамики ротора и сферических газовых опор разработана мо2дель ультраперецизионного шпиндельного узла, включающая в себя: 1. возможность учёта влияния режимов работы и конструктивных параметров сферических аэростатических опор на осевые и радиальные динамические характеристики шпинделя; 2. шесть пространственных степеней свободы шпинделя и егопроизвольную динамическую неуравновешенность; 3.

возможность описать перекрёстные зависимости радиальных и осевых реакций сферических аэростатических опор от смещений и скоростей шпинделя, что позволило определитьусловие устранения перекрёстного влияния радиальных скоростей и смещенийна осевую реакцию; 4. методику линеаризации реакций сферических аэростатических опор жёсткостями и сопротивлениями, зависящими от частот колебаний. Созданная мультидисциплинарная динамическая модель реализована численно в современных программных комплексах MATLAB и Comsol.Разработаны и опробованы методики экспериментального определенияосновных параметров сферических аэростатических опор (усреднённого и минимального зазора, жёсткостей, вязких сопротивлений).Внедрение.

Экспериментальная методика идентификации параметровтрения при вращении по кривой выбега ротора используется на кафедре РК-5МГТУ Баумана в курсе «Компьютерные пакеты Wolfram Mathematica и Matlabв приложении к задачам механики». Разработанные математические модели использованы при разработке и оптимизации нескольких моделей ультрапрецизионных шпиндельных узлов и поворотных столов в ОАО «ВНИИИНСТРУМЕНТ», в том числе: узлы РТШ 020 для установок лазерного нанесения высокоточных угловых растров, узел 900.01.020 стенда финишной обработки оптических элементов из нелинейно-оптических монокристаллов, узлы НШУС 110трёх координатных станков «Асферика Ф3» и «Сфера 1000» алмазного точенияи фрезерования сложно профильных и крупногабаритных или деталей, другиешпиндельные узлы и поворотные столы.Практическая значимость.

С помощью созданных моделей на стадиипроектирования оценены характеристики шпиндельного узла НШУС 110, ипроведена оптимизация шпиндельных узлов РТШ 020 и 900.01.020, позволившая при сохранении габаритов и толщины смазочного слоя повысить жёсткости САО в 1,5…4 раза. На станках, с разработанными ультрапрецизионнымишпиндельными узлами, при алмазном точении и фрезеровании получены вОАО «ВНИИИНСТРУМЕНТ» следующие результаты: Ra (5…8)·10-8 м плоскихотражателей инфракрасных холодильников размерами 0,18х0,7 м; Ra<5·10-8 мдля параболоидных алюминиевых отражателей; Ra (1…2)·10-7 м и отклоненияот профиля менее 0,01 для никелевых матриц линз Френеля; Ra≈10-9 м при пластичном фрезеровании монокристаллов KDP; Ra (4…40)·10-9 м при алмазномфрезеровании кварца… В отличие от абразивно-доводочных операций (например, притирки или полировки) при обработке резанием уменьшается нагрев,глубина повреждённого слоя, повышается производительность, отсутствуютзавалы краёв и шаржирование поверхности зёрнами абразива.

В настоящее3время с ультрапрецизионными шпиндельными узлами разрабатываются станкидля шлифования изделий из труднообрабатываемых материалов.Личное участие автора в получении результатов. Автор выбрал и реализовал расчётные модели, принимал участие в подготовке, проведении и обработке экспериментов, провёл сопоставление расчётных и экспериментальныхданных. Результаты, представляющие научную новизну и вынесенные на защиту, получены лично автором, или с его участием.Апробация работы. Основные результаты докладывались и обсуждалисьна Франко-Российском семинаре по прикладной механике (Лион, 2009); ХХ,XXIII и XXVI Международных конференциях МИКМУС (Москва, 2009, 2011 и2014); конференции «Будущее машиностроения России», (Москва, 2010), научно-техническом совете по ультрапрецизионной обработке в ОАО "ВНИИИНСТРУМЕНТ" (Москва, 2011); 77 Международной конференции ААИ «Автомобиле- и тракторостроение в России: приоритеты развития и подготовка кадров»(Москва, 2012); X Международной конференции «Нанотехнологиипроизводству 2014» (Фрязино, 2014); на 3 научных семинарах: на кафедре прикладной механики МГТУ Баумана (Москва, 2013 и 2015), в отделе математического моделирования и САПР ГТД ЦИАМ им.

П.И. Баранова (Москва 2015).14 публикаций по теме работы, в том числе 1 патент и 6 статей ВАК.Структура и объём работы. Основная часть состоит из введения, пяти глав,выводов, заключения и изложена на 143 станицах с 46 рисунками и 12 таблицами. Список литературы описан на 19 листах и содержит 179 наименования.В приложении описаны протоколы и выводы по измерениям, примерырасчётов, математические выкладки, акты внедрения.