Каталог
АНАЛИЗ ТЕПЛОВЫХ ДЕФОРМАЦИЙ В ТОКАРНО-
КАРУСЕЛЬНЫХ СТАНКАХ С ГИДРОСТАТИЧЕСКИМИ НАПРАВЛЯЮЩИМИ ПЛАНШАЙБЫ
А.С. Титов, С.Н. Шатохин, Л.П. Шатохина
Красноярский государственный технический университет
Применение в металлорежущих станках гидростатических подшипников и направляющих имеет существенные преимущества перед другими видами опор. Они позволяют обеспечить малый коэффициент трения в широком диапазоне скоростей скольжения, большую нагрузочную способность, высокое демпфирование колебаний, значительное редуцирование погрешностей изготовления и монтажа рабочих поверхностей, возможность при проектировании достаточно точно рассчитать эксплуатационные параметры и др. Однако, повышенная температура рабочей жидкости в системе питания гидростатических опор приводит к появлению тепловых деформаций узлов станка, которые изменяют взаимное расположение рабочих органов и снижают точность обработки.
В.В. Бушуев и О.К. Цыпунов [1] при исследовании температурных деформаций столов токарно-карусельных станков с круговыми гидростатическими направляющими планшайбы установили, что из-за разницы температур нижней и верхней поверхностей планшайбы и основания стола они приобретают чашеобразную форму (рис. 1).
Рис. 1. Схема тепловых деформаций планшайбы и основания стола
токарно-карусельного станка с гидростатическими направляющими
Нижние поверхности 1 планшайбы, находящиеся ближе к направляющим, нагреваются больше, чем поверхность 2 зеркала планшайбы, которая имеет лучшие условия охлаждения. Тепловой поток, поступающий через направляющие в основание стола, также создает неравномерное температурное поле последнего.
В результате при обработке заготовки происходит её деформация или уход от первоначальных наладочных координат. Кроме того, температурные деформации искажают форму самих гидростатических направляющих, что снижает их нагрузочную способность, создает опасность возникновения непосредственного контакта и образования задиров рабочих поверхностей.
Аналогичные явления были отмечены авторами данной статьи у токарно-карусельных станков, установленных в производственных цехах АО «Красноярский завод тяжелых экскаваторов», которые имеют планшайбы диаметром от 2240 мм до 6000 мм с гидростатическими направляющими. В связи с этим было проведено исследование температурного режима работы и тепловых деформаций токарно-карусельного станка 1А525МФ3, выпущенного краснодарским станкостроительным заводом им. Седина и имеющего стол с планшайбой диаметром 2240 мм (рис. 2), у которого тепловые деформации были особенно значительными.
Рис. 2. Конструкция стола токарно-карусельного станка 1А525МФ3
с круговыми гидростатическими направляющими планшайбы
На основании 1 станка неподвижно установлено опорное кольцо 2, на рабочих поверхностях которого выполнены несущие карманы для замкнутых осевых и радиальных гидростатических направляющих. Вращающяяся планшайба 4 неподвижно связана с центральной цапфой 3, которая образует с опорным кольцом 2 рабочие зазоры гидростатических направляющих. Исследования показали, что такая конструкция и используемая в ней система питания гидростатических направляющих имеют значительные резервы для модернизации с целью уменьшения тепловых деформаций и их влияния на точность обработки.
Так как на работающем станке технически сложно измерять температуру нижней части планшайбы, при исследовании электронным термометром регистрировали температуру рабочей жидкости в сливном коллекторе гидростатических направляющих, предполагая, что она соответствует температуре нижней части планшайбы. Температуру зеркала планшайбы измеряли на радиусе 550 мм, соответствующем расположению гидростатических направляющих. По данным усредненных измерений построен график, представленный на рис.3.
Рис. 3. Изменение температуры рабочей жидкости (1)
и зеркала планшайбы (2)
Измерения проводили на работающем станке в течение 36 часов при давлении нагнетания рабочей жидкости 1,9 МПа, частоте вращения планшайбы 10 об/мин, вязкости рабочей жидкости 22 сСт и отсутствии обрабатываемой детали. Из графика видно, что в начальный период повышение температуры зеркала планшайбы происходит медленнее, чем повышение температуры рабочей жидкости, что можно объяснить большой теплоемкостью планшайбы и большой площадью рассеяния тепла. Однако, после 6-8 часов работы устанавливается практически постоянная разность этих температур, а после 16-20 часов работы стабилизируются и сами температуры.
Величину тепловой деформации зеркала планшайбы измеряли с помощью индикатора часового типа, закрепленного в штативе, и поверочной линейки 1-го класса точности, установленной на планшайбе с помощью призм и проходящей через ее центр. Основание штатива передвигали вдоль радиуса планшайбы так, чтобы измерительный наконечник индикатора опирался на рабочую часть линейки. В результате получали изменение абсолютного расстояния от зеркала планшайбы до рабочей поверхности линейки, которое характеризует зависимость тепловой деформации δ от текущего радиуса R планшайбы. График усредненных значений δ(R) представлен на рис. 4 (сплошная линия).
Из графика видно, что тепловые деформации достигают значений, которые сопоставимы с допусками на погрешность размеров и формы обрабатываемых деталей, а на краях планшайбы могут существенно превышать их.
На рис. 5 показан усредненный график зависимости максимальной деформации δmax у края планшайбы от изменения температуры T рабочей жидкости (линия 1). Здесь же приведен график зависимости δmax от времени t работы станка (линия 2), полученный в результате обработки этих значений совместно с графиком рис.3.
Рис. 5. Зависимость максимальной деформации планшайбы δmaxот
температуры T рабочей жидкости (1) и времени t работы станка (2)
Из графика видно, что максимальная деформация зеркала планшайбы практически прямо пропорциональна изменению температуры рабочей жидкости и наиболее интенсивно увеличивается в течение первых 4-6 часов работы станка. Очевидно, что такой длительный период термостабилизации станка существенно усложняет обработку ответственных деталей с жесткими допусками размеров и формы поверхностей.
При эксплуатации токарно-карусельных станков с гидростатическими направляющими планшайбы можно практически полностью исключить тепловые деформации за счет дополнительного охлаждения рабочей жидкости в гидробаке насосной установки, если встроить туда теплообменник холодильного агрегата соответствующей мощности с автоматическим регулятором температуры.
Возможен также альтернативный вариант – встраивание в гидробак насосной установки нагревательных элементов (ТЭНов), которые при пуске станка быстро нагревают рабочую жидкость до заданной температуры. В результате в несколько раз (до 1-1,5 часов) сокращается время стабилизации максимального уровня тепловых деформаций. Необходимую плоскостность зеркала планшайбы в этом случае можно обеспечить протачиванием при установившемся температурном режиме.
На рис. 4 штриховой линией показана теоретическая зависимость тепловой деформации δ от текущего радиуса R, полученная для круглой сплошной пластины, эквивалентной планшайбе станка. При этом полагали, что измеренные в эксперименте температуры равномерно распределены по нижней и верхней поверхностям пластины и линейно изменяются по её толщине. При указанных допущениях теоретические значения функции δ(R) можно определять по формуле: (1)
где α – коэффициент линейного расширения материала пластины (для чугуна и стали α =1,1·10-5 1/оС);
R – текущий радиус круглой пластины (R = 0÷1120 мм).
∆T – установившаяся разность средних температур поверхностей
пластины (согласно рис.2 принимали ∆θ = 9 оС);
H = 167 мм – толщина сплошной круглой пластины, эквивалентная реальной планшайбе, полученная из условия равенства их объемов или массы.
Удовлетворительное совпадение данных теории и эксперимента позволяет использовать зависимость (1) при проектных расчетах тепловых деформаций планшайб. Необходимое для такого расчета значение перепада температур ∆Tможет быть найдено из уравнения теплового баланса, приведенного в [2, 3].
При этом следует иметь в виду, что сочетание значений вязкости и давления нагнетания рабочей жидкости, толщины несущего слоя и других параметров гидростатических опор имеет явно выраженный экстремум-минимум при определении суммарных потерь мощности, влияющих на тепловые деформации. Однако, поиск оптимального сочетания этих параметров на стадии проектирования является достаточно сложной задачей, решение которой требует участия специалистов, хорошо знакомых с проблемой. По-видимому, это и некоторые другие обстоятельства не были в достаточной мере учтены при проектировании гидростатических направляющих планшайбы токарно-карусельного станка 1А525МФ3.
Значительно улучшить характеристики гидростатических опор металлорежущих станков позволяет использование адаптивных регуляторов для нагнетания рабочей жидкости в несущие карманы вместо традиционно используемой дроссельной схемы или схемы «насос-карман». Перспективные конструкции гидростатических опор, имеющих встроенные адаптивные регуляторы, в том числе плавающего типа, разработаны и исследованы в Красноярском государственном техническом университете [4–10]. Они превосходят гидростатические опоры пассивного типа по нагрузочным, энергетическим и точностным характеристикам в 2–2,5 раза. Важной для металлорежущих станков особенностью таких опор является возможность получения нулевой и отрицательной податливости в значительном диапазоне расчетных нагрузок.
В заключение отметим, что при проектировании нового токарно-карусельного станка наиболее простым и надежным способом обеспечить минимальную тепловую деформацию зеркала планшайбы является использование конструкции, которая практически не чувствительна к нагреву рабочей жидкости в гидростатических направляющих. Планшайба токарно-карусельного станка 1А525МФ3, показанная на рис. 2, совершенно не соответствует этому критерию.
Красноярский государственный технический университет предлагает заинтересованным организациям методику оптимального проектирования и разработку конструкции высокоскоростных шпиндельных узлов и планшайб с гидростатическими опорами, имеющих высокие нагрузочные характеристики и нечувствительных к нагреву рабочей жидкости.
Литература:
1. Бушуев В.В., Цыпунов О.К. Тепловые явления в гидростатических опорах. «Станки и инструмент», 1987, № 11. – С. 27-29.
2. Шатохин С.Н. Расчет и минимизация потерь мощности в гидростатических подшипниках. «Станки и инструмент», 1989, № 9. – С. 16-19.
3. Шатохин С.Н. Потери мощности, кавитация и нагрев смазки в высокоскоростных гидростатических подшипниках. «Опоры скольжения с внешним источником давления смазки» / Межвузовский сборник научных трудов // Под научной редакцией С.Н. Шатохина. Красноярск: Изд. КрПИ (КГТУ), 1989. – С. 63-78.
4. Шатохин С.Н., Ярошенко С.А. Влияние высокой частоты вращения на эксплуатационные характеристики адаптивного гидростатического подшипника адаптивного гидростатического подшипника. «Проблемы машиностроения и надежности машин», 1990,№ 2. – С. 38-43.
5. Зайцев В.П., Шатохин С.Н., Ярошенко С.А. Проектирование адаптивных аэростатических подшипников. «Вестник машиностроения», 1992, № 6-7. – С. 25-28.
6. Красикова Т.Ю., Шатохин С.Н. Радиальная гидростатическая опора с плавающим кольцевым регулятором. «Вестник КГТУ», Красноярск: Изд. КГТУ, 1997. – С. 79-84.
7. Красикова Т.Ю., Шатохин С.Н. Исследование статических характеристик адаптивной гидростатической опоры с плавающим кольцевым регулятором. «Перспективные материалы и конструкции» / Сб. научных трудов, Красноярск: Изд. САА, 1998.
8. Гидростатический подшипник / Патент РФ № 2211385, МПК F16 С 32/06 (авт. А.С. Курзаков, С.Н. Шатохин).
9. Гидростатический подшипник / Патент РФ № 2208723, МПК F16 С 32/06 (авт. А.С. Курзаков).
10. Гидростатический подшипник / Заявка на изобретение № 2003134900 от 01.12.2003 (авт. Т.Ю. Красикова, С.Н. Шатохин).
