Данильченко Юрій Михайлович. Наукові основи створення швидкохідних прецизійних шпиндельних вузлів металорізальних верстатів: дисертація д-ра техн. наук: 05.03.01 / Національний технічний ун-т України "Київський політехнічний ін- т". - К., 2003.
Анотація до роботи:
Данильченко Ю.М. Наукові основи створення швидкохідних прецизійних шпиндельних вузлів металорізальних верстатів. – Рукопис.
Дисертація на здобуття наукового ступеня доктора технічних наук за спеціальністю 05.03.01 – Процеси механічної обробки, верстати та інструменти. – Національний технічний університет України “Київський політехнічний інститут”, Київ, 2003.
В дисертації висвітлені проблеми створення швидкохідних прецизійних шпиндельних вузлів (ШВ) на опорах кочення, представлені загальні основи формування їх вихідної точності, методологічні основи та результати досліджень.
Метод комплексного теоретичного і експериментального дослідження ґрунтується на використанні власної віброактивності ШВ на опорах кочення і полягає у визначенні амплітуд резонансних коливань і похибки обертання шпинделя в зонах локальних резонансів на частотах вимушених коливань, що генеруються підшипниками опор, на що отримано два авторських свідоцтва на винаходи (способи). Базу теоретичних досліджень складають геометрична і пружно-деформаційна моделі неідеального радіально-упорного кулькового підшипника та математична модель точності ШВ, в якій враховуються як похибки виготовлення й збирання вузла, так і наслідки дії зовнішнього навантаження будь-якого фізичного походження.
За результатами досліджень виявлені закономірності формування вихідної точності ШВ і розроблені рекомендації по використанню її резерву.
Розроблено наукові основи вирішення науково-технічної проблеми підвищення точності швидкохідних прецизійних ШВ на опорах кочення на підставі встановлення закономірностей впливу факторів функціонального, конструктивного і технологічного характеру на формування точності, та їх використання для забезпечення максимальної точності роботи ШВ, потреб їх контролю та діагностики.
На основі теоретичних та експериментальних досліджень доведено, що гранична точність швидкохідних прецизійних ШВ на опорах кочення визначається внутрішніми кінематичними збуреннями, викликаними похибками виготовлення доріжок кочення кілець і тіл кочення підшипників опор, а зменшення точності - змінністю (трансформацією) кінематичного збурення внаслідок дії навантажень різного фізичного походження (силових, монтажних, теплових тощо). Гранична точність швидкохідних прецизійних ШВ з шпинделями, встановленими на радіально-упорних кулькових підшипниках 2-го класу точності становить 0,030,1 мкм.
В робочих діапазонах частот обертання швидкохідних прецизійних ШВ на опорах кочення похибка обертання шпинделя є змінною величиною, залежною від прояву резонансних явищ на частотах внутрішніх кінематичних збурень підшипників опор. За результатами математичного моделювання та натурних випробувань ШВ з шпинделями, встановленими на радіально-упорних кулькових підшипниках 2-го класу точності, визначено, що при відсутності дії зовнішнього навантаження похибка обертання шпинделів в не резонансних зонах становить 0,20,5 мкм, а в окремих резонансних - перевищує 6 мкм. Розбіжність теоретично та експериментально отриманих значень не перевищувала 1025%.
Для оцінки точності швидкохідних прецизійних ШВ на опорах кочення в робочому діапазоні частот обертання необхідно крім регламентованих перевірок стабільності положення вісі шпинделя при його повільному обертанні проводити перевірку, що полягає у вимірюванні амплітуд резонансних коливань шпинделя на частотах внутрішнього кінематичного збурення, генерованого підшипниками його опор. Поєднання натурних випробувань ШВ в резонансних і не резонансних зонах дозволяє за рахунок визначення характеру зміни виміряних амплітуд коливань виключати з результатів вимірювання похибки схем і засобів вимірювання та здійснювати розрахунок залежності похибки обертання шпинделя від частоти його обертання.
При розробці математичних моделей, що описують процес формування точності підшипників кочення і використовуються для розрахунку викликаного ними кінематичного збурення необхідно враховувати, що зміщення центру внутрішнього кільця підшипника відносно номінального положення є векторною сумою початкового і пружного зміщень. Величина і характер результуючого кінематичного збурення підшипника визначається ступінню деформованості контактних груп і залежить від умов їх початкового контакту та напрямку й величини прикладеного до підшипника навантаження.
При розробці математичних моделей, що описують процес формування точності ШВ на опорах кочення необхідно враховувати як змінний характер внутрішнього кінематичного збурення підшипників опор, так і залежність значень частот власних коливань шпинделя від інерційних та пружних характеристик закріпленого в ньому інструменту (заготовки).
На основі теоретичних та експериментальних досліджень встановлено такі закономірності формування точності швидкохідних прецизійних ШВ з радіально-упорними кульковими підшипниками в опорах:
в робочому діапазоні частот обертання шпинделя існує декілька зон із підвищеною інтенсивністю радіальних коливань. Причиною утворення цих зон є збіг частот вимушених коливань (насамперед fт/з, fт/в ± f0, 2f0, 3f0) із нижніми частотами власних коливань системи “шпиндель-оправка”. При цьому похибки виготовлення бігових доріжок і тіл кочення підшипників мають найбільший вплив в діапазоні частот обертання, що відповідають зонам локальних резонансів на характерних частотах вібраційних збурень підшипників (fт/з, fт/в ± f0), а дія монтажних та зовнішніх навантажень – на частотах 2f0, 3f0;
для ШВ, зібраних на підшипниках одного класу точності залежно від якості збирання похибка обертання шпинделя в зоні локального резонансу на подвійній частоті його обертання (2f0) може відрізнятися більш ніж в 20 разів;
забезпечення максимальних значень демпфування для обраного типу підшипників і з’єднання шпинделя з оправкою дозволяє зменшити величину похибки обертання шпинделя в резонансних зонах в 1,72 рази.
На ВАТ “Львівський завод фрезерних верстатів” і заводі “Кристал” (м. Вінниця) впроваджено рекомендації по використанню підшипників легких серій в конструкціях ШВ при їх модернізації із збереженням габаритних розмірів, які дозволили підвищити статичну жорсткість системи “шпиндель-оправка” в 1,41,9 рази, динамічну жорсткість в 1,9 рази на першій формі і 3,56,0 разів на другій формі коливань, зменшити діапазони підвищеної віброактивності (похибка обертання шпинделя 0,5 мкм) з 21% робочого діапазону до 1013%.
Для ВАТ “Тернопільський комбайновий завод” запропоновані технологічні та експлуатаційні рекомендації, які дозволили підвищити ефективність процесу обробки деталей шліфувальними головками за рахунок виходу з зон локальних резонансів шляхом розмежування (в межах ± 6%) частот вимушених і власних коливань системи “шпиндель-оправка”.
Публікації автора:
Данильченко Ю.М., Кузнєцов Ю.М. Прецизійні шпиндельні вузли на опорах кочення (теорія і практика). - Тернопіль – Київ: Економічна думка, 2003. – 344 с. (здобувачем розроблено методологічні основи формування та дослідження точності ШВ, математичні моделі підшипника, опори та системи “ШВ”, проведено теоретичне та експериментальне дослідження точності ШВ).
Дзюба В.И., Данильченко Ю.М. Необходимый объем жидкого смазочного материала во внутренней полости подшипника качения // Вестник машиностроения. – 1986. - № 12. – С. 31-32. (Здобувачем проведено розрахунок площ поверхонь деталей підшипника).
Данильченко Ю.М., Фигатнер А.М., Бальмонт В.Б., Бондарь С.Е. Повышение точности вращения высокоскоростных шпиндельных узлов на подшипниках качения // Станки и инструмент. – 1987. - № 7. – С. 16–18. (Здобувачем розроблено методику та проведено експериментальне дослідження).
Зверев И.А., Бальмонт В.Б., Данильченко Ю.М. Математическое моделирование и экспериментальное исследование точности вращения шпиндельного узла // Известия ВУЗов. Машиностроение. – 1987. - №11. – С. 154–159. (Здобувачем проведено експериментальне дослідження).
Данильченко Ю.М. Концептуальна модель формування точності шпиндельних вузлів металорізальних верстатів // Вісник Тернопільського державного технічного університету. – Тернопіль. – 1999. - Т.4, Ч.1. – С.124-128.
Данильченко Ю.М. Початкове зміщення внутрішнього кільця радіально-упорного підшипника опори шпиндельного вузла // Вісник Тернопільського державного технічного університету. – Тернопіль. - 2000.- Т.5, Ч.1. – С. 35-45.
Данильченко Ю.М. Статика неідеального радіально-упорного кулькового підшипника опори шпиндельного вузла // Вісник Тернопільського державного технічного університету. – Тернопіль. - 2000. - Т.5, Ч2. – С. 33-38.
Данильченко Ю.М., Петров С.В. Жорсткість підшипників опор кочення високоточних швидкохідних шпиндельних вузлів // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - 2000. – Т.5, Ч.4. - С. 25-34. (Здобувачем розроблено математичну модель жорсткості підшипника).
Данильченко Ю.М., Петров С.В. Моделювання силових характеристик підшипників опор кочення швидкохідних шпиндельних вузлів // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - 2001. – Т.6, № 1. - С. 51-60. (Здобувачем проведено математичне моделювання та аналіз впливу температурного режиму та частоти обертання на силові характеристики підшипника).
Данильченко Ю.М., Петров С.В. Жорсткість по куту повороту радіально-упорного кулькового підшипника опори шпиндельного вузла // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - 2001. – Т.6, № 3. - С. 46-52. (Здобувачем розроблено пружно-деформаційну модель підшипника та проведено математичне моделювання характеристик жорсткості).
Данильченко Ю.М., Петров С.В. Комплексна математична модель точності шпиндельних радіально-упорних кулькових підшипників // Прогрессивные технологии в системе машиностроения: Международный сборник научных трудов. – Донецк: ДонГТУ. - 2001. - Вып. 6. – С. 164-168. (Здобувачем проведено аналіз проблем теоретичних досліджень та розроблено комплексну математичну модель точності підшипників).
Кузнецов Ю.Н., Данильченко Ю.М. Конструкторско-технологические аспекты формирования точности шпиндельных узлов на опорах качения // Вестник национального технического университета Украины “Киевский политехнический институт”, серия машиностроение. – 2001. - № 40. – НТУУ “КПИ”. – С 293-303. (Здобувачем проведено аналіз моделей і розроблено новий підхід до моделювання статичної і динамічної точності ШВ).
Данильченко Ю.М., Петров С.В. Теоретико-експериментальні дослідження віброактивності шпиндельних радіально-упорних кулькових підшипників // Вестник национального технического университета Украины “Киевский политехнический институт”, серия машиностроение. – 2001. - № 41. – НТУУ “КПИ”. – С 65-73. (Здобувачем проведено аналіз методів досліджень, розроблено новий підхід і проведено моделювання спектрів вібрацій підшипників).
Данильченко Ю.М. Точність обертання двохопорного шпинделя // Машинознавство. – 2002. - № 2.– С. 17-24.
Данильченко Ю.М., Петров С.В. Детермінована математична модель вихідної точності шпиндельного вузла на опорах кочення // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - 2002. – Т.7, № 3. - С.53-60. (Здобувачем розроблено математичну модель і проведено розрахунок показників вихідної точності ШВ).
Данильченко Ю.М., Петров С.В. Розподіл осьового навантаження в опорах шпиндельного вузла // Вісник Тернопільського державного технічного університету. - 2002. – Т.7, № 4. - С.32-37. (Здобувачем розроблено загальний підхід до складання розрахункових схем різних типів опор та проведено математичне моделювання точності і силових характеристик опор типу “дуплекс”).
Кузнєцов Ю.М., Данильченко Ю.М. Методологічні основи дослідження процесів формування вихідної точності прецизійних шпиндельних вузлів на опорах кочення // Вестник национального технического университета Украины “Киевский политехнический институт”, серия машиностроение. – 2002. - № 43. – НТУУ “КПИ”. – С. 96-99. (Здобувачем розроблено метод комплексного теоретичного та експериментального дослідження ШВ за показниками точності).
Данильченко Ю.М. Узагальнена пружно-деформаційна модель шпиндельного вузла // Наукові нотатки. Міжвузівський збірник (за напрямком “Інженерна механіка”). – Луцьк. – 2002. – Вип.11.– С. 126-131.
Данильченко Ю.М. Вплив похибок збирання шпиндельних вузлів на точність обертання шпинделя // Збірник наукових праць Кіровоградського державного технічного університету. – Кіровоград. – 2003. - №13. – С. 376-382.
Способ вибрационного контроля состояния высокооборотного шпиндельного узла на опорах качения: А.с. 1351379 СССР, МКИ G01М13/04, В23Q15/00 / Данильченко Ю.М., Фигатнер А.М., Бондарь С.Е., Дубовецкий Б.О., Пуш В.Э. (СССР). - №4078111/25-08 – Заявлено 31.03.86. – Зарегистр. 08.07.87, ДСП – 1987, Бюл. № 41 – 4 с. (Здобувачем розроблена процедура отримання нормованого спектру резонансних амплітуд шпинделя).
Способ измерения радиального смещения оси вращения скоростных шпинделей: А.с. 1514486 СССР, МКИ В23В1/00, 19/02 / Данильченко Ю.М., Дзюба В.И, Фигатнер А.М., Бондарь С.Е., Дубовецкий Б.О., Левин А.М., Фефелов А.А. (СССР). - №4277966/31-08 – Заявлено 04.05.87. – Опубл. 15.10.89, Бюл. № 38 – 3 с. (Здобувачем розроблено процедуру визначення похибки вимірювання).
Подшипниковый узел: А.с. 1765567 СССР, МКИ F16C37/00 / Данильченко Ю.М., Дзюба В.И, Гуцал Л.Д., Аверьянова И.О., Булат Л.П. (СССР). - №4664130/27 – Заявлено 08.02.89. – Опубл. 30.09.92, Бюл. № 36 – 4 с. (Здобувачем розроблена принципова схема відбору тепла від кільця підшипника, що обертається).
Шпиндельный узел с автоматической компенсацией осевого натяга в опорах: А.с. 1371781 СССР, МКИ В23В19/00 / Пуш В.Э., Данильченко Ю.М., Хабаров А.В., Хурция З.И. (СССР). - №4122057/31-08 - Заявлено 26.06.86. – Зарегистр. 08.10.87, ДСП. - 1988, № 5 – 2 с. (Здобувачем розраховано залежність для вибору жорсткості пружної втулки).
Шпиндельный узел: А.с. 1380921 СССР, МКИ В24В41/04 / Пуш В.Э., Данильченко Ю.М., Хурция З.И. (СССР). - №4032653/31-08 - Заявлено 10.03.86. – Опубл. 15.03.88, Бюл. № 10 – 2 с. (Здобувачем розроблено принципову схему механізму переходу з опор кочення на опори ковзання).
Данильченко Ю.М., Левин А.М. Автоматизированное измерение погрешности вращения шпинделей станков // Сб.:Использов.вычислит. техники в метрологии при измер. лин.-угл. р-ров в маш.строен.: Мат.семин. - М.: МДНТП, 1987. - С.75-78. (Здобувачем розроблено метод вимірювання та аналізу похибки обертання шпинделів на опорах кочення).
Данильченко Ю.М., Левин А.М. Повышение точности вращения шпинделей на опорах качения // Сб.: Соверш.существ.и созд. нов. проц. изгот.дет.и изд.в маш.стр. Мат. семин. - М.: МДНТП, 1987. - С.121-124. (Здобувачем розроблено методику вібраційного контролю стану ШВ).
Данильченко Ю.М. Аспекти створення високоточних шпиндельних вузлів металорізальних верстатів // Тези допов. 3-ї н/т конф. ТДТУ “Прогресивні матеріали, технології та обладнання в машино- і приладобудуванні”. – Тернопіль: ТДТУ. – 1998. – С. 25.
Данильченко Ю.М. Вплив похибок виготовлення та збирання елементів шпиндельного вузла на опорах кочення на формування траєкторії руху вісі шпинделя // Мат. 5-ї наук. конф. ТДТУ. – Тернопіль: ТДТУ. – 2001. – С. 47.
Данильченко Ю.М. Методологічні аспекти розробки математичних моделей шпиндельних вузлів на опорах кочення //Мат. 6-ї наук. конф. ТДТУ.–Тернопіль:ТДТУ.–2002.–С. 9.
Данильченко Ю.М. Функціональне забезпечення точності шпиндельних вузлів на опорах кочення // Мат. 7-ї наук. конф. ТДТУ. – Тернопіль: ТДТУ. – 2003. – С. 27.
Данильченко Ю.М., Петров С.В. Закономірності формування вихідної точності прецизійних шпиндельних вузлів на опорах кочення // Тези допов. 6-го міжнар. симпоз. укр. інж.-мех. у Львові. – Львів: КІНПАТРІ ЛТД. – 2003. – С. 85. (Здобувачем розроблено пружно-деформаційну модель системи “ШВ” та проведено дослідження впливу на точність ШВ факторів технологічного, конструктивного та функціонального характеру).
