Диссертация (Разработка методов расчета статических и динамических характеристик шпиндельных узлов со сферическими аэростатическими опорами), страница 3

С помощью созданных моделей на стадии проектирования оцененыхарактеристики опытного шпиндельного узла НШУС 110.4. Настадиишпиндельныхпроектированияузловпроведены900.01.020,оптимизацииРТШ 020ипараметров,поворотногостолаСФЕРА-100.01.025, повысившие по сравнению с прототипами расчётныежёсткости в 1,5…4 раза при сохранении габаритов и зазора.5.

Экспериментально определены практически значимые характеристикишпиндельных узлов НШУС 110 и РТШ 020.6. Сделаны рекомендации по совершенствованию технологии изготовленияшпиндельных узлов и выбору параметров шпиндельных узлов.7. Получен патент на способ формирования пористых ограничителей наддувас требуемой проницаемостью.Достоверность полученных результатов подтверждается строгостьюматематических выкладок, проверкой сходимости результатов при дроблениисетки конечных элементов, отказом от ряда физических и геометрическихдопущений, сравнением результатов, полученных по разным моделям,проверкой критериев подобия, а также подтверждается экспериментально.12Апробация материалов работы и личный вклад автораПо теме работы опубликовано не 14 работ, в том числе 1 патент и 6статей в журналах перечня ВАК.Математическиемоделисферическихаэростатическихопорпредставлены на конференциях [8-12]; и в статьях [13-15].

Личный вклад авторазаключается в разработке математических моделей, подготовки статей идокладов.Различные методы ударной диагностики узла РТШ 020 представлены наконференции [16] и в статьях [17, 18]. В статье [17] описаны конструкционныепреимущества разрабатываемых узлов. В статье [18] оценено изменениешероховатостиопордоипосленанесенияопытногозащитногоалмазоподобного покрытия. Личный вклад автора заключается в подготовкеэкспериментов, участие в их проведении и обработке.В статье [19] описано измерение проницаемости пористого графита, исравнивается влияние разброса проницаемости на характеристики замкнутых иразомкнутых плоских аэростатических опор.

Личный вклад автора заключаетсяв выполнении эксперимента и создании математических моделей. Полученныепри этом результаты использованы при обосновании запатентованнойтехнологии [20] изготовления пористых ограничителей наддува с нужнойпроницаемостью. При подготовке заявки автор участвовал в патентном поискеи разработал промышленный прототип.Предложеннаяметодикаэкспериментальногоконтролязазорашпиндельного узла по кривой выбега обсуждалась автором на конференцииМИКМУС 2014 [21].Часть исследований проведена автором в рамках НИР по контракту14.513.11.0036ФЦП«Исследованияиразработкипоприоритетнымнаправлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-132013 годы».

В отчёте №1 представлены разделы 1 Главы и моделипространственной динамики шпинделя (написаны автором 6 глав и 1приложение). В отчёте №2 описаны результаты замеров силовых характеристикузлов НШУС 110 и методика определения зазора по вязкому сопротивлениювращению (написаны автором 2 главы и 6 приложений).Часть материалов Главы 1 и методики исследования характеристикшпиндельногоузласо сферическими аэростатическими подшипникамипредставлены в отчёте №1 по контракту №14.579.21.0042 «Разработкатехнологиииоборудованиянаноразмернойобработкиалмазныммонокристаллическим и абразивным инструментом оптических материалов врежиме квази-пластичного резания», (автор участвовал в подготовке 2 глав).Содержаниеработы.Необходимостькомплексногоподходакмоделированию аэростатических опор и динамики шпинделя привела кбольшому объёму работы.

Для облегчения восприятия основной частинекоторые пояснения, математические выкладки, примеры расчётов, протоколыи выводы по измерениям систематизированы в приложениях.Основная часть работы состоит из введения, 5 глав, общих выводов,заключения, изложена на 143 страницах машинописного текста с 46иллюстрациями, 12 таблицами. Библиографический список изложен на 19страницах и содержит 179 наименований. Приложение описано на 106страницах с 54 иллюстрациями и 23 таблицами.На защиту выносятся новые научные результаты:1.

Разработанная модель пространственной 6-ти степенной динамикишпинделя на двух сферических аэростатических опорах, позволяющаяопределять биения шпинделя с учётом нелинейности опорных реакций,динамической неуравновешенности и технологических нагрузок.142. Для проведения динамических расчётов разработаны 2 моделисферических аэростатических частично пористых опор: полная модель «2D+t»,определяющая силовые и моментные реакции в зависимости от векторасмещения, линейной и угловой скорости и «истории состояний», а такжеупрощённая сегментная модель для нахождения позиционных сил.3. Линеаризация реакций сферических аэростатических опор допустималишьдляопределённогодиапазоначастотколебаний.Жёсткости,определённые по частотам свободных колебаний и по статическим откликаммогут отличаться до 3 раз.

Вязкие сопротивления могут отличаться до 8 раз вдиапазоне частот колебаний от 50 до 900 Гц.4. Предложены и опробованы несколько экспериментальных способовидентификации зазора сферических аэростатических опор: по измереннойсиловой характеристике, по осевым биениям без воздуха, по вязкому моментуторможения при вращении. Эти методики дают близкие результаты ипримененынапроизводстведляизмеренияминимальногозазора.Усреднённый зазор больше из-за дефектов опор, для его идентификациипредложенаиопробованаэкспериментально-расчётнаяидентификации, которая предложена для применения на практике.методика15БлагодарностиАвторискреннеблагодареннаучномуруководителюГуськовуАлександру Михайловичу.Также автор признателен коллективу отдела ультрапрецизионнойобработки и оборудования ОАО "ВНИИИНСТРУМЕНТ" и лично- Захаревичу Евгению Мефодьевичу за помощь при подготовкеэкспериментов и технические консультации;- Липницкой Татьяне Юрьевне за конструкторское сопровождениепроцесса оптимизации шпиндельных узлов;- Дауге Виталию Теодоровичу и Лапшину Василию Владимировичу запомощь в проведении экспериментальных исследований шпиндельных узлов- Скворцовой Марии Александровне за помощь при измерениишероховатости сферических опорных поверхностей.Автор благодарен коллегам из МГТУ им.

Н.Э. Баумана:- Воронову Сергею Александровичу за замечания по работе ивозможность использовать оборудования лаборатории кафедры РК 5;- Миронову Юрию Михайловичу за помощь в исследовании кварцевойпластины на АСМ и подготовке патента;- Киселёву Игорю Алексеевичу и Николаеву Сергею Михайловичу засоветы по проведению динамических исследований и их обработке.РаботавыполненаприподдержкегрантаCRDF НОЦ –018,государственных контрактов Минобрнауки №15.513.11.0036, № 14.579.21.0042и целевой программы "Развитие научного потенциала высшей школы (20092010 годы)" № 2.1.2/5277.16Глава 1.

Особенностишпиндельныхузловсосферическимиаэростатическими опорамиВ этой главе описаны технические особенности и область примененияразрабатываемых шпиндельных узлов; обоснованы первоочередные задачи,которые необходимо решить для их эффективного использования.1.1. Применение разрабатываемых шпиндельных узлов1.1.1. О востребованности станков для прецизионной обработкиСегодня в России востребованы ультрапрецизионные станки дляобработки деталей высокоточных, инновационных изделий во многих отраслях:авиакосмической, турбино-, приборо-, автомобиле-, машино- и станкостроении,при изготовлении метрологического оборудования [22], инструмента [23],лазерно-оптическихсистем,игелиоэнергетическихустановок,микроэлектроники, запорно-регулирующей арматуры...

В 10-15 последних лет вРоссииультрапрецизионнаяобработкаприменяетсяприизготовленииединичных изделий, мелких или средних серий. С одной стороны этопрепятствует серийному созданию специализированных станков. С другойстороны, на универсальных многокоординатных станках сложнее получитьвысокую точность из-за большего количества управляемых координат и менеежёсткой системы станок – приспособление – инструмент – заготовка.Использование зарубежных многокоординатных обрабатывающих центровчасто невозможно из-за высокой стоимости и ограничений на поставки.Ответом на сложившуюся ситуацию является создание станков намодульномпринципедляузкогокругатехнологическихоперацийсминимально необходимым количеством координат и модульной системойЧПУ. На модульном принципе изготавливаются прецизионные станки вОАО "ВНИИИНСТРУМЕНТ".МодульнымиединицамиявляютсяЧПУ,станина и отдельные аэростатические узлы линейных и угловых перемещений17(поворотныестолыилишпиндельныеответственнойкомпонентойхарактеристикиоказываютстанкаузлы).являетсяпреобладающееНаиболеесложнойшпиндельныйузел.влияниенакачествоиЕгоипроизводительность, поэтому его расчёту и проектированию уделяется особоевнимание.Поставкинаиболееточныхзарубежныхаэростатическихшпиндельных узлов ограничены [24, 25], а информация по ним закрыта.Разработанные ранее отечественные образцы [1, 2, 26] не всегда отвечаютсовременным требованиям, что побуждает к разработке новых моделей.Ниже приведены примеры технологических процессов, реализованныхна станках с инновационными аэростатическими шпиндельными узлами ОАО«ВНИИИНСТРУМЕНТ» и ООО «Ресурс точности».1.1.2.

Пластичное резание хрупких материаловИспользование сверхтвёрдого инструмента, прецизионного жёсткогостанкаисубмикроннойглубинырезания,позволяетдостигнуть,такназываемого, «пластичного режима резания хрупких материалов» [27, 28]. Принёмпосравнениюсабразивнойобработкойуменьшаетсятолщинаповреждённого слоя, увеличивается производительность, а поверхностьприобретает особые оптические свойства.

В ООО «Ресурс точности» дляпробной обработки проведено пластичное алмазное точение кварцевойпластины. Результаты измерения на атомно-силовом микроскопе с оптическоймикроскопией Ntegra Spectra показаны на Рис. 1.1 [29].18Рис. 1.1. Кварц после пластичного резания: а – оптический снимок; б – сканАСМПри обработке наблюдалось формирование непрерывной сливнойстружки. На поверхности достигнута шероховатость Ra=(4…11)·10-9 м, ноотдельные поры ухудшают шероховатость до Ra=(4…10)·10-8 м. Точностьобработкикварцаимеетключевоезначениевизготовленииоптики,пьезоэлектрических датчиков, кварцевых резонаторов и электромеханическихфильтров [30].