ШКАЛА СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИИ МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО СТАНКА ПРОТИВОДЕЙСТВИЯ ТЕРМИЧЕСКИМ ПРОЦЕССАМ

Дмитриев Б.М.

ORCID: 0000-0002-2668-9956, Доктор технических наук, Московский Технический Университет им. Баумана

ШКАЛА СВОЙСТВА КОНСТРУКЦИИ МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО СТАНКА ПРОТИВОДЕЙСТВИЯ ТЕРМИЧЕСКИМ ПРОЦЕССАМ

Аннотация

Материал статьи посвящён формированию шкалы свойства несущей системы металлорежущего станка противодействия термическим воздействиям для количественной оценки данного свойства. В существующей системе знаний отсутствует единица измерения термического свойства станка. Это обстоятельство является тормозом в разработке шкалы такого свойства. В статье предложен вариант формирования единицы измерения термического свойства. Решение данной задачи создаёт предпосылки к разработке шкалы отношений, которая обладает возможностью количественного определения свойства конструкции противодействия термическим процессам. Наличие такого инструмента позволяет перейти при разработки новой конструкции от «метода проб и ошибок» к количественной оценке принятого решения.

Ключевые слова: металлорежущий станок, несущая система конструкции станка, свойство конструкции противодействия термическим процессам, шкала уровня свойства, единица измерения свойства, потребляемая мощность, условия при формировании шкалы.

Dmitriev B.M.

ORCID: 0000-0002-2668-9956, PhD in Engineering, Bauman Moscow State Technical University

SCALE OF PROPERTIES OF CUTTING MACHINE FOR COUNTERACTION TO THERMAL PROCESSES

Abstract

The article is devoted to the formation of the property scale of a carrying system of a cutting machine for counteraction to thermal influences for the quantitative evaluation of this property. In the existing knowledge system, there is no unit for measuring thermal properties of a machine. This circumstance hinders the development of such property scale. The article discusses the formation of a unit for measuring a thermal property. The solution of this problem creates prerequisites for the development of a scale of relations that has the ability to quantitatively determine the property of counteraction to thermal processes. The presence of such a tool allows switching quantitative evaluation of the solution when developing a new design from the “trial and error method.”

Keywords: cutting machine, carrying system of the machine design, property of the construction of counteraction to thermal processes, level scale of the property, unit of property measurement, power consumption, conditions for scale formation.

Современная практика станкостроения характеризуется двумя противоречивыми тенденциями. Одна из них состоит в том, что увеличивается энерговооружённость станка как результат автоматизации процесса производства и ужесточение режимов работы станка. Следствием данного процесса является снижение точности станка.

Другая тенденция состоит в возрастающем требовании к точности станка как источника обеспечения качества изделий машиностроения [1, С. 12]. Возникает противоречие между этими тенденциями. Ситуация в области точности станкостроения состоит в том, что требуется сокращение этого противоречия. Современная практика проектирования в своём арсенале имеет разнообразные методы и способы по обеспечению стабилизации термического состояния конструкции [2, С.13].

Для выбора метода стабилизации термических процессов, который удовлетворит конструктора, необходимо иметь способ количественной оценки эффективности свойств существующих методов стабилизации. В современной системе знаний (ССЗ) разработан метод экспериментальной оценки степени эффективности применения того или иного мероприятия. Метод оценки основан на сравнения данных полученных на исследуемом станке с прототипом. Если у нового решения термические деформации меньше чем у прототипа, то этот вариант принимают к исполнению. С помощью данного принципа можно оценить качественные, не имеющие строгой количественной меры, показатели. Данный способ оценки разработан в 50-х годах прошлого века и характеризуется тем что оценивает уровень термического свойства станка на уровне «больше/меньше, лучше/хуже» [3, С. 303], [4, С. 568], [5, С. 540], [6, С. 10]. Это шкала порядка. Существующий принцип позволяет измерять качественные, не имеющие строгой количественной меры, показатели. В результате получаемая информация имеет широкий диапазон неопределённости, который лишает возможности однозначно применять решения о достигнутом уровня совершенства станка.  Однако отсутствие иных предложений в этом направлении, приводит к необходимости использования данного подхода в настоящее время. Этот метод оценки результатов конструкторских решений проводит к потерям времени и средств в результате того, что приходится осуществлять повторные работы для апробации другого способа стабилизации термических воздействий. Современный уровень требований к процедуре создания конструкции станков требует метода более точного определения термического состояния конструкции. Одно из возможных решений данной проблемной ситуации является разработка метода измерения данного свойства и в частности разработки шкалы оценки свойства конструкции противостоять действию термических процессов.

Измерением качества различных технических устройств занимается наука квалиметрия [7, С. 18]. Квалиметрия сформировала для оценки уровня свойств, технических устройств, четыре типа шкал [8, С. 23], [9, С. 34], [10, С. 5]. Это шкала наименований; шкала порядка; шкала интервалов и шкала отношений. В ССЗ станкостроения в настоящее время для оценки эффективности конструкторских решений по термическим процессам используют шкалу порядка. Для того чтобы целенаправленно управлять процессом выбора способа воздействия на термическое состояние конструкции, требуется иметь шкалу, в основании которой лежит шкала более «мощная», чем шкала порядка. Например, на уровне шкал интервалов или шкалы отношений [8, С. 12].

Наличие такой шкалы применимо в работах по отладке опытного образца станка, а также при проведении приёмо-сдаточных испытаниях.  Известно, что продвижение в количественном описании изучаемого явления даёт возможность для качественно нового проникновения в сущность такого явления как изменение параметров несущей системы станка (НСС) под действием термических процессов [11, С. 11]. Наличие шкалы, позволяющей количественного определения свойства, формирует возможность детального изучения свойства конструкции противодействовать термическим процессам. Параметры каждой шкалы для своего формирования требуют выполнения определённых условий. Вопрос в данной проблеме состоит в формировании условий, выполнение которых позволит разработать шкалу отношений исследуемого свойства.

Целью данной разработки является формирование шкалы на уровне шкалы отношений для количественного определения свойства конструкции противодействия   термическим процессам. Для достижения поставленной цели требуется решить ряд задач: сформировать метод получения единицы

измерения данного свойства, определить условия, выполнение которых требует данная шкала, произвести апробацию сформированных положений для производства измерения исследуемого свойства.

Первым шагом при формировании шкалы является формирование способа получения единицы измерения исследуемого свойства. Оценка свойства конструкции противодействия термическим процессам формируется внутренней структурой конструкции. Количественное определения данного свойства прямым измерением не удаётся. Для количественного определения этого свойства используют косвенный метод измерения [12, С. 28]. Косвенное измерение состоит в том, что измеряется не сама величина свойства, а другие величины, связанные с нею функционально. Числовое значение величины, подлежащее оценке, при косвенном измерении, получается путем соответствующих расчетов на основании зависимостей, существующих между величинами и выраженных в математической форме. При осуществлении данного способа на конструкцию подаётся термическое воздействие известной величины. Одновременно оценивается реакция конструкции на это воздействие. Значение величины свойства определяют, как отношение реакции к величине воздействия.

В качестве реакции используют изменение параметров геометрической точности станка, которые в конечном итоге определяют точность производимых деталей. Это пять параметров, определяющих положения базы инструмента относительно базы под заготовку (три линейных величины по осям координат и две угловых координаты). Эти параметры сосредоточенные, представлены в линейно-угловых величинах и определяют точность станка. Параметры термического воздействия на НСС, которые используют при исследовании термического свойства, как правило, распределённые. Это температура конструкции, либо частота вращения шпинделя, исследуют действие тепловых потоков и т.д. Их применение приводит к результату характеризующегося неопределённостью в оценке. В качестве показателя, определяющего величину термического воздействия, как правило, применяют температуру конструкции [12, С. 10].

Для того чтобы использовать распределённые параметры, например, параметр температуры, в оценке свойства конструкции, требуется иметь температуру, сосредоточенную в определённой точке несущей системы станка. Причём температура этой точки должна однозначно согласовываться с изменением параметра геометрической точности. В ССЗ устойчивой методики по определению положения такой точки на конструкции обнаружить не удалось. Аналогичное положение складывается и с остальными параметрами термического воздействия на НСС. В данной работе использовали параметр потребляемой мощности на входе питания станка [13, С. 35]. Это параметр сосредоточенный, термодинамический. В качестве единицы термического свойства предлагается использовать [мкм/кВт*час для линейных перемещений и мкм/100 мм на кВт*час в угловом отношении]. Физически данная единица показывает на сколько мкм перемещается база станка под действием одного кВт* часа в линейном отношении и на какой угол деформируется конструкция при действии одного кВт*часа мощности.  В силу того, что термическое воздействие формируется за счёт теплоты образуемой работой механизма шпинделя, а работа шпинделя имеет достаточно широкий диапазон изменения, то требуется иметь условия, позволяющие однозначно воспроизводить термическую нагрузку на конструкцию. Для выполнения однозначности условия требуется сформировать закон воздействия при проведении исследования термического свойства. В данном случае есть возможность использовать предложение в [14 С. 44]. Закон воздействия представлен на рисунке.

Рис. 1 – Закон термического воздействия на несущую систему станка

 

Закон состоит из чередования работы шпинделя с разной интенсивностью и перерывов в работе. По оси ординат отложены значения величин частот вращения шпинделя в процентном отношении к максимальному значению. По оси абсцисс отложены значения времени работы в минутах. Из этой же работы используем методику учёта влияния температуры окружающей среды. Выполнение этих условий гарантирует однозначность воспроизводства термического воздействия на конструкцию станка. Получив значение единицы свойства, можно переходить к выполнению следующего условия.

Шкала отношений отличается от шкалы порядка тем, что в ней определено положение нулевой точки, точки начала отсчёта уровня термического свойства.

Для шкалы отношений требуется наличие таких условий, при которых при воздействии теплоты величина деформации конструкции равнялась нулю. Реализация таких условий возможна при создании термически симметричной конструкции. Такое состояние конструкции обеспечивается конструкторским методами.

Шкала с равномерным делением диапазона измерения является всегда предпочтительным с позиций удобства пользователя. Известно, что переход конструкции из одного равновесного термического состояния в другое не противоречит экспоненциальной зависимости. Такая форма перехода не обеспечивает равенства шага на шкале за время переходного процесса. Для обеспечения линейной зависимости между термическим воздействием и реакцией конструкции приходится переводить оба значения в логарифмическую форму.

Показатель свойства станка = логарифм отклика / логарифм воздействия. Данный показатель характеризует свойство конструкции как термическую жёсткость.

Дальнейшее формирование шкалы требует иметь несколько реперных точек исследуемого свойства. Одна точка это начало шкалы. В силу того, что термическое движение конструкции имеет возможность проявляться как в положительном, так и в отрицательном направлениях, то шкалу продолжают от ноля в обоих направлениях. Следующие точки характеризует величину термического перемещения баз станка в момент постоянной времени переходного процесса из одного термического равновесного состояния в другое, в обоих направлениях

Все три точки располагаются на прямой линии, определяющей расположение значений свойств исследуемых станков.

Воспроизводимость единицы измерения осуществляется набором стандартных средств измерения. Средство измерения состоит из трёх информационных устройств. Это линейно-угловые средства для оценки реакции конструкции. Ваттметр для оценки степени влияния термических воздействия на конструкцию, термометра для оценки влияния изменения температура окружающей среды на термическое состояние конструкции и хронометр для синхронизации процессов измерения. Средство измерения свойства конструкции противодействия термическим воздействиям представляет собой совокупность указанных средств, работающих при съёме информации одновременно.

Такие операции как поверка и градуировка, средств измерения, входящих в состав измерительного устройства, разработаны в соответствии с требованиями соответствующих нормативных документов.

Обеспечив все выше перечисленные условия, апробировали их путём исследования двух станков. Станки одинаковой конструкции, но разного класса точности. Один фрезерный станок нормальной точности 676, другой станок повышенной точности 676П. Результаты исследования представлены в таблице 1.

Таблица 1  – Результаты исследования термической жёсткости станков

В таблице приведены значения линейной термической жёсткости по соответствующим координатам

Предлагаемая шкала и средство измерения количественного значения свойства конструкции противостоять действиям термических процессов формирует механизм оценки свойства НСС. Наличие такого механизма позволяет повысить качество получаемой информации о том, как применяемое конструкторско-технологическое решение реализуется на практике на основе количественной оценки результатов применения.

Область применения данного предложения ограничено использованием свойств станков одного типа и одного размерного ряда. Для универсального применения предлагаемого подхода, т.е. для оценки свойств разных моделей, свойства разных типов станков противодействовать термическим процессам, требуется проводить исследования. Эти исследования призваны выработать условия и способ термического воздействия на различные конструкции, при действии одного и того же значения термического воздействия для обеспечения сравнимости результатов.

Наличие шкалы и средств измерения создаёт возможность, при исследовании термических свойств станка, иметь механизм по оценки принятых решений на количественном уровне. Наличие шкалы такого уровня как шкала отношений создаёт возможность получать информацию более высокого качества по сравнению со шкалой наименований. Что создаёт возможность производить исследования с возможностью проникать глубже в физическую сущность термических явления. Для того чтобы иметь возможность применения данного подхода к измерению уровня термического свойства, требуется проведения работы по разработке воссоздания единого уровня термического воздействия на конструкцию станков разных размеров и типов.

Список литературы / References

1. Юрин В. Н. Влияние тепловых деформаций на точность работы гидрокопировального агрегатного станка // Станки и инструмент. – 1970- №12 – С. 18-20.
2. Кузнецов А.П., Косарев М.В. Классификация типовых видов температурных деформаций металлорежущих станков. //СТИН, 2013, №9, С13-18.
3. Точность механической обработки и пути ее повышения. / Под. ред. А. П. Соколовского-М.- Л.: Машгиз, 1951. – 487 с.
4. Jungnickel G. Warmeubertragung durch freie Konvektion an Maschinenbauteilen. Maschintnbautechnik/ 1979/ vol.28/ N.72/ pp 568-573
5. Jacob K. Beurteilungskriterien fur das termische Verhalten von Werkzeugmaschinen. Maschinenbautechnik. 1981. v.30. №12. P. 540-544.
6. Квалиметрия и диагностирование механизмов /Под ред. Е.Г.Нахапетяна.- М.: 1979, -204с.
7. Азгальдов Г.Г.Теория и практика оценки качества товаров. М.: Экономика, 1982г. 256 с.
8. Фомин В.Н. Квалиметрия. Управление качеством. Сертификация. - М.: «ТАНДЕМ». Изд-во «ЭКМОС», 2002, - 184с.9.
9. Андрианов Ю. М. Квалиметрия в приборостроении и машиностроении.Л.: Машиностроение,- 1990 – 221с.
10. Хованов Н. В. Математические основы теории шкал измерения качества- Л.: Ленинградский университет, 1962. – 188 с.
11. Новицкий П. В. Основы информационной теории измерительных устройств – Л.: Энергия, 1968. – 248 с.
12. Поляков А.Н., Дьяконов П.И. Исследование теплового состояния станков с помощью нейронных сетей. // СТИН, 2006, С 10-13.
13. Дмитриев Б.М. Количественная оценка свойства металлорежущего станка сопротивляться термическим воздействиям. Екатеринбург, "Международный научно-исследовательский журнал", 2016, № 9-51, - С. 35-37. http://elibrary.ru/item.asp?id=26678750
14. Международный стандарт ISO 230-3, вторая редакция от 15.08.2007. Инструкция по испытаниям металлорежущих станков. Часть 3. Определение тепловых воздействий. – М.: Стандарты, 2009, -44 с.

Список литературы на английском языке / References in English

1. Yurin V. N. Vliyaniye teplovykh deformatsiy na tochnost' raboty gidrokopiroval'nogo agregatnogo stanka. [Influence of thermal deformations on the accuracy of the hydrocopy aggregate machine]  // Stanki i instrument. [Machines and tools] – 1970- №12 –  P. 18-20. [in Russian]2.   Kuznecov A.P., Kosarev M.V. Klassifikacija tipovyh vidov temperaturnyh deformacij metallore#uschih stankov [Classification of typical types of temperature deformations of metal-cutting machines] // STIN[Machine tools, technology, tools], 2013, №9,P13-18. [in Russian]
2. Tochnost' mehani4eskoj obrabotki i puti ee povy6enija [Accuracy of machining and ways to improve it] / Pod. red. A. P. Sokolovskogo. -M.- L.: Mahgiz[Machine-building publishing house], 1951. – 487 P. [in Russian].
3. Young nickel G. Warmeubertragung through a free convection on the machine elements of construction. Maschintnbautechnik/ 1979/ vol.28/ N.72/ pp 568-573.
4. Jacob of criteria of reasoning K. fur termische behavior of instrumental machines. Machine-building technique. 1981. v.30. №12. P. 540-544.
5. Kvalimetriya i diagnostirovaniye mekhanizmov [Qualimetry and diagnosis of mechanisms] / Pod red. Ye.G.Nakhapetyana.- M.: 1979, -204 p. [in Russian]
6. Azgal'dov G.G. Teorija i praktika ocenki kaчstva tovarov [Accuracy of machining and ways to improve it ]. M.: Jekonomika [Economy], 1982. 256 p. [in Russian]
7. Fomin V.N. Kvalimetriya. Upravleniye kachestvom. Sertifikatsiya. [Qualification. Quality control. Certification] - M.: «TANDEM». Izd-vo «EKMOS» [Publishing house "EKMOS"], 2002, - 184 [in Russian]
8. Andrianov YU. M. Kvalimetriya v priborostroyenii i mashinostroyenii. [Qualimetry in Instrument Making and Mechanical Engineering] M.: Mashinostroyeniye, [Mechanical Engineering] - 1990 – 221p. [in Russian]
9. Khovanov N. V. Matematicheskiye osnovy teorii shkal izmereniya kachestva. - : Leningradskiy universitet [Leningrad: Leningrad University], 1962. – 188 p. [in Russian]
10. Novitskiy P. V. Osnovy informatsionnoy teorii izmeritel'nykh ustroystv.[ Fundamentals of the Information Theory of Measuring Devices ] – L.: Energiya [Energy], 1968. – 248 p.
11. Polyakov A.N., D'yakonov P.I. Issledovaniye teplovogo sostoyaniya stankov s pomoshch'yu neyronnykh setey.[Study of the thermal state of machines with the help of neural networks] //STIN, [Machine tools, technology, tools] 2006, P. 10-13. [in Russian]
12. Dmitriyev B.M. Kolichestvennaya otsenka svoystva metallorezhushchego stanka soprotivlyat'sya termicheskim vozdeystviyam. [Quantification of the property of a metal-cutting machine to resist thermal influences. ] Yekaterinburg, "Mezhdunarodnyy nauchno-issledovatel'skiy zhurnal" [International Scientific and Research Journal], 2016, № 9-51, - P. 35-37. http://elibrary.ru/item.asp?id=26678750. [in Russian]
13. Mejdunarodnyj standart ISO 230-3, vtoraja redakcija ot 15.08.2007 [International standard ISO 230-3, second edition of August 15, 2007]. Instrukcija po ispytanijam metallorejuschih stankov [Instructions for testing machine tools]. Chast' [Part] 3. Opredelenie teplovyh vozdejstvij [Determination of thermal effects]. - 44 P. [in English]