КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА СВОЙСТВА МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО СТАНКА СОПРОТИВЛЯТЬСЯ ТЕРМИЧЕСКИМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ

Дмитриев Б.М.

Доктор технических наук, профессор, МГТУ им. Баумана

КОЛИЧЕСТВЕННАЯ ОЦЕНКА СВОЙСТВА МЕТАЛЛОРЕЖУЩЕГО СТАНКА СОПРОТИВЛЯТЬСЯ ТЕРМИЧЕСКИМ ВОЗДЕЙСТВИЯМ

Аннотация

Для совершенствования свойства конструкции, обеспечивающего точность станка, требуется иметь возможность количественно оценивать уровень этого свойства. Современное состояние дел в этом направлении характеризуется наличием разработанных единицы измерения таких свойств как геометрическая точность станка, жёсткость конструкции, устойчивость упругой системы и т. д. Разработаны шкалы этих свойств. Наличие единиц, шкал количественных значений этих свойств станка, методик измерений обеспечивает управляемый процесс проектирования и изготовления. Для такого процесса как сопротивление конструкции станка термическим воздействиям на параметры точности единицы измерения свойства.

Существующие подходы к методам измерения данного свойства основываются на применении распределённых параметров таких как температура конструкции, частота вращения шпинделя и т. д. Применение распределённых параметров как во времени, так и в пространстве конструкции станка приводит к неопределённости результатов. Однако имеет возможность их использования на уровне качественных оценок. Для того чтобы иметь конструкцию станка на современном уровне требуется иметь единицу измерения свойства станка формировать сопротивление термическим воздействиям. Результаты данной работы обнаруживают возможность разработки единицы измерения данного свойства.

Ключевые слова: Свойство станка, свойство сопротивляться, термические воздействия, единица измерения.

Dmitriev B.M.

PhD in Engineering, Professor, MSTU Bauman

QUANTITATIVE EVALUATION OF PROPERTIES OF METAL MACHINE RESIST THERMAL EFFECTS

Abstract

To improve the properties of the structure, ensuring the accuracy of the machine, you want to be able to quantify the level of this property. The current state of Affairs in this direction is characterized by the presence of the developed units of properties such as geometric accuracy of the machine, rigidity, stability of elastic systems, etc. Developed the scale for these properties. The presence of units, scales quantitative values for these properties, the machine, methods of measurements provides a guided process for designing and manufacturing. For such a process as the resistance of the machine structure thermal effects on the parameters of accuracy units of measure properties. 

previousstudies approaches to measurement for this property are based on the use of distributed parameters such as design temperature, spindle speed, etc. the Use of distributed parameters both in time and in space the design of the machine leads to the uncertainty of the results. However, it has the possibility of their use at the level of qualitative assessments. In order to have the construction of the machine at the present level is required to be measurable properties of the machine to generate resistance to thermal influences. The results of this work reveal the possibility of developing a unit of measurement for this property.

Keywords: The property of the machine, the property to resist, thermal exposure, unit.

Введение 

Современный уровень станкостроения характеризуется высоким уровнем энерговооружённости. Этот факт приводит к определённому влиянию термических потерь на работоспособность конструкции. Особенно это характерно для станков с числовым програмнным управлением. Термические воздействия приводят к изменению точности станка, приводят к изменению производительности процесса обработки через изменение жёсткости конструкции, воздействуя на состояние несущей системы станка. Несмотря на многочисленные работы, проводимые в направлении оценки действия теплоты на точность конструкции, а также на методы измерения количественного действия теплоты на точность станка, требования к точности производимых деталей постоянного ужесточаются, что требует совершенствование методов исследования термических процессов в станкостроении [1].

Современный уровень проектирования требует оценки качества конструкции выраженный в количественных значениях. Существующая система знаний  представляет станкостроителям методы оценки качества разрабатываемых конструкций на качественном уровне. Существующая система знаний предлагает оценивать степень термических воздействия на поведение конструкции методами, которые из-за неопределённости результатов измерения, затруднительны в применении в практике станкостроения. Этот факт препятствует совершенствованию конструкции станка в отношении термических воздействий. Для того чтобы иметь возможность сравнивать качество разных конструкций, технологии их производства и сборки, требуется иметь единицу измерения свойства конструкции сопротивляться термическим действиям.

Цель данной работы состоит в том, чтобы предложить станкостроителям, конструкторам и технологам, возможный способ измерения данного свойства в количественном выражении.

Существующие способы оценка свойства станка

В существующей системе знаний свойство конструкции сопротивляться термическим воздействиям определяют, как зависимость изменения геометрической точности станка от параметров термических показателей. Это параметры, определяющие положение базы станка под инструмент относительно базы под заготовку. Количественная оценка этих параметров определяют в линейно-угловых единицах. В качестве источников термических воздействия на конструкцию используют различные параметры, зависящие от термических процессов. Это температура конструкции, это частота вращения шпинделя и т. д. [2,3,4]. Используемые параметры представляют собой распределённые параметры. То обстоятельство что для оценки используют распределённые параметры как в пространстве, так и во времени, создаёт широкие неопределённости в оценке параметров исследуемого свойства. Так, например, для однозначности оценки при использовании температуры приходится определять на конструкции точку, температура которой однозначно определяет термическое состояние конструкции. В существующей системе знаний по термическим явлениям в станках не обнаружено таких устойчивых методик, которые обеспечивают удовлетворительно свёртывание информации о температуре конструкции в одну точка. Аналогично можно говорить и относительно такого параметра как частота вращения шпинделя.

Успешное продвижение в данном направлении возможно, однако для этого требуется разработка методов свёртывания информации, что придаст однозначность в решении оценки свойства. Данное направление успешно проявляется при качественной оценке свойства исследуемого станка.

Измерительное преобразование

В рассматриваемой проблеме существует иной подход к оценке количественного значения данного свойства.  Параметры свойства станка подобного плана скрыты от внешнего наблюдателя т. к. формируется внутренней структурой конструкции.  В этом случае для оценки количественного значения таких свойства станка применяют измерительное преобразование [5]. Процедура измерительного преобразования состоит в том, что конструкция подвергается внешним термическим воздействиям известной величины и одновременно оценивается реакция конструкции на эти действия.  Количественное выражение этого свойства определяют как отношение реакции, к величине термического воздействия. Для того чтобы воспользоваться измерительный преобразованием при оценке количественного значения исследуемого свойства, требуется иметь как реакцию, так и воздействие в виде сосредоточенных параметров как в пространстве, так и во времени. В данном случае при оценке свойства станка в качестве реакции конструкции используют выходные параметры в виде геометрической точности конструкции. Это положение баз станка относительно друг друга. Такими параметрами являются пять координат по степеням свободы несущей системе станка. Это линейные по трём осям координат перемещение базы под инструмент относительно базы под заготовку, и две угловые координаты, определяющие угловые положения баз. Данные параметры при действие термических возмущений изменяют свои количественные значения.

Во время рабочего процесса существует такой показатель как величина потребляемой электрической энергии на входе станка. Количественное значение потреблённой энергии конструкциией станкаво время рабочего процесса является, во-первых, индивидуальной величиной данного образца станка. Она характеризует качество не только производства и сборки станка, но и качество конструкции. Что определяет работу трения в механизмах станка  от чего изменяется термическое состояние конструкции. И во-вторых является параметром, сосредоточенным в пространстве, а именно на входе электричества в несущую систему станка. Эти свойства данного параметра могут быть использованы в измерительном преобразовании.  Однако потребляемая мощность характеризует скорость процесса потребления электроэнергии. Для однозначности потребуется ограничить время исследований. Следующее условие состоит в том, что конструкция универсального станка имеет широкий диапазон режимов эксплуатации. Для сокращения времени исследования требуется иметь определённый закон воспроизводства режимов за время исследований.

Выполнение указанных требований может обеспечить закон воспроизводства теплового режима станка при проведении оценки количественного значения свойства, состоящего из чередования работы шпинделя станка на частотах вращения в процентах от максимальной частоты шпинделя. После проведения воспроизводства данного закона требуется определить значение величины перемещения базы инструмента относительно базы под заготовку. Так же оценить количество потреблённой энергии за время исследований.  Последовательность действий требуется следующая. Сначала работа станка каждые 15 минут с попеременной частотой шпинделя 25, 100, 75, 25 единиц в процентном соотношении от максимальной частоты, затем обеспечение перерыва работы шпинделя в течение 10 минут, далее обеспечение следующего цикла с попеременной частотой шпинделя 25, 50, 25, 50, 75, 25 единиц в процентном соотношении от максимума, затем обеспечение перерыва работы шпинделя в течение 10 минут, далее обеспечение завершающего цикла с попеременной частотой шпинделя 25, 50, 75, 100, 25, 50 единиц в процентном соотношении от максимальной частоты [6].

Данное предложение не только определяет закон воспроизводства термического действия, но и определяет продолжительность исследования. Причём перерывы в работе проявляются как характеристика свойств конструкции. Количественное значение свойства сопротивления конструкции действию термических процессов состоит в нахождении отношения величины перемещения базы инструмента относительно базы заготовки к величине потребленный энергии.

В качестве апробации данного предложения было исследование свойство (Ψ) конструкции консольно-фрезерного станка мод. 676П по трём линейным координатам OX (Ψ'), OY (Ψ"), OZ (Ψ"').  В данном случае количественное значение исследуемого свойства, определяющее термические свойства конструкции, получило следующие значения при действии двухчасовой работы станка на холостом ходу. По осям соответственно Ψ' = 51,40; Ψ" = 0,93; Ψ"'= 42,06 (мкм/кВт*ч).  В дополнении к этим значениям, в силу того, что на фрезерных станках нет явного предпочтения в точности станка по определённому направлению, было сформировано суммарное значение. В данном случае это геометрическая сумма по трём координатным осям. Станок 676П имеет количественное значение в этом случае 66,5 мкм/кВт*ч.

Обсуждение результатов

ССЗ в своём составе имеет определённый арсенал подходов к оценке свойства конструкции станка формировать сопротивление термическим воздействиям по параметрам точности станка.  Из-за того, что возникают трудности со свёртыванием информации в качестве аргумента в оценке количественного значения свойства возникают существенные неопределенности. Такие оценки используют для качественной оценки, но в современном станкостроении требуется количественная оценка свойств конструкции.

В предлагаемом подходе удаётся решить возникшую проблемную ситуацию. Возникает возможность оценивать уровень свойства конкретной конструкции по разным направлениям движения баз во время рабочего процесса. Из этого следует что единицей измерения свойства конструкции сопротивляться действию термических возмущений может является величина ε, значение отношения величины перемещения баз станка относительно друг друга в размере одного мкм отнесённое к величине потреблённой энергии в 1кВт энергии за время действия в один час. Единица измерения свойства сопротивляться термических воздействий есть ε =1ств.

Физически эта величина показывает на сколько микрометров перемещается база станка в данном направлении при потреблении  одного кВт *часа электрической энергии из сети за один час исследования.

В этом случае величина свойства станка сопротивляться действию термических  воздействия составляет Ψ= 33,25 ε.

Выводы:

1. Предлагаемая единица измерения свойства станка сопротивления термическим воздействиям формирует возможность количественной оценки не только свойства станка по разным направлениям точности, но позволяет оценивать величину свойства производства и сборки станков данной модели;
2. Наличие возможности оценивать в количественном выражении свойства конструкции создаёт условия для стандартизации этого свойства;
3. Измерительное устройство для измерения указанного свойства основано на базе существующих средств, производимых промышленностью. Измерительное средство состоит из совмещения следующих составляющих. Это средства линейно-угловых измерений, средства для измерения потребляемой электрической мощности и хронометра;
4. Методика измерения количественного значения свойства проста в применении и не требует специальной подготовки персонала. Применима в подразделения как при проведении исследовательских работ, так и в производственных условиях.
5. Наличие единицы оценки количественного значения свойства сопротивления термическим воздействиям создаёт основу для разработки шкалы количественного значения свойства.

Литература

1. Юркевич В.В. Тепловые процессы в токарном станке мод. МК-3002[Текст]/В.В. Юркевич//Вестник машиностроения. – 2000. - №1. – 46-49 с.
2. Jungnickel G. Warmeubertragung durch freie Konvektion an Maschinenbauteilen. Maschintnbautechnik. /1979/ vol.28/ N.72/ pp. 568-573]
3. Поляков А.Н., Дьяконов П.И. Исследование теплового состояния станков с помощью нейронных сетей. /СТИН, 2006, С 10-13.
4. Jacob K. Beurteilungskriterien fur das termische Verhalten von Werkzeugmaschinen. Maschinenbautechnik. 1981. v.30. №12. P. 540-544]
5. Новицкий П.В. Основы информационной теории измерительных устройств. Л.; Энергия, 1968. – 248с.
6. Международный стандарт ISO 230-3, вторая редакция от15.08.2007. Инструкция по испытаниям металлорежущих станков. Часть 3. Определение тепловых воздействий.

References

1. Jurkevich V.V. Teplovye processy v tokarnom stanke mod. MK-3002[Tekst]/V.V. Jurkevich//Vestnik mashinostroenija. – 2000. - №1. – 46-49 s.
2. Jungnickel G. Warmeubertragung durch freie Konvektion an Maschinenbauteilen. Maschintnbautechnik. /1979/ vol.28/ N.72/ pp. 568-573]
3. Poljakov A.N., D'jakonov P.I. Issledovanie teplovogo sostojanija stankov s pomoshh'ju nejronnyh setej. /STIN, 2006, S 10-13.
4. Jacob K. Beurteilungskriterien fur das termische Verhalten von Werkzeugmaschinen. Maschinenbautechnik. 1981. v.30. №12. P. 540-544]
5. Novickij P.V. Osnovy informacionnoj teorii izmeritel'nyh ustrojstv. L.; Jenergija, 1968. – 248s.
6. Mezhdunarodnyj standart ISO 230-3, vtoraja redakcija ot15.08.2007. Instrukcija po ispytanijam metallorezhushhih stankov. Chast' 3. Opredelenie teplovyh vozdejstvij.