Теория и методы проектирования адаптивных гидростатических и аэростатических шпиндельных опор и направляющих металлорежущих станков

• Автор: Шатохин, Станислав Николаевич
• Шифр специальности: 05.02.02
• Научная степень: Докторская
• Год защиты: 2010
• Место защиты: Красноярск
• Количество страниц: 390 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ Введение. Общая характеристика работы

Глава 1. Перспективы и проблематика применения бесконтактных опор скольжения в металлорежущих станках
1.2 Актуальность применения гидростатических и аэростатических опор в шпиндельных узлах и направляющих станков

1.2 Состояние и исследований гидростатических шпиндельных опор

1.3 Состояние исследований аэростатических шпиндельных опор

1.4 Состояние исследований гидростатических направляющих Глава 2. Методология теоретического исследования и оптимизации

характеристик гидростатических и аэростатических опор

2.1 Основные положения гидродинамической теории смазки

2.2 Методы решения краевых задач для гидростатических опор

2.3 Методы решения краевых задач для аэростатических опор

2.4 Математические модели и показатели подобия опор
2.5 Методика расчета и анализа статических характеристик
2.6 Методика расчета и анализа динамических характеристик
2.7 Методика параметрической оптимизации характеристик Глава 3. Уточненные расчеты функциональных элементов
адаптивных гидростатических и аэростатических опор
3.1 Дросселирующие сопротивления в гидростатических опорах
3.2 Дросселирующие сопротивления в аэростатических опорах
3.3 Регуляторы нагнетания смазки с эластомерными элементами
3.4 Регуляторы нагнетания смазки с упругими элементами
3.5 Плавающие регуляторы нагнетания смазки
3.6 Пьезоэлектрические регуляторы нагнетания смазки
Глава 4. Адаптивные гидростатические шпиндельные опоры
4.1 Анализ способов улучшения статических и динамических характеристик адаптивных гидростатических опор
4.2 Влияние биения рабочих поверхностей и пульсации давления смазки на точность гидростатических опор
4.3 Потребляемая мощность, нагрев и кавитация смазки в гидростатических опорах

4.4 Адаптивные гидростатические опоры с упруго-встроенным кольцевым регулятором активного нагнетания смазки
4.5 Адаптивные гидростатические опоры с плавающим кольцевым регулятором активного нагнетания смазки
Глава 5. Адаптивные аэростатические шпиндельные опоры
5.1 Применение комбинированного внешнего дросселирования для улучшения характеристик аэростатических опор
5.2 Адаптивные аэростатические опоры с мембранным регулятором активного нагнетания воздуха
5.3 Адаптивные аэростатические опоры с эластомерными регуляторами активного нагнетания воздуха
5.4 Адаптивные аэростатические опоры с плавающим кольцевым регулятором активного нагнетания воздуха
Глава 6. Адаптивные гидростатические направляющие
6.1 Незамкнутые направляющие с плавающими регуляторами активного нагнетания смазки, встроенными в несущие карманы
6.2 Замкнутые направляющие с плавающими регуляторами активного нагнетания смазки, встроенными между оппозитных несущих карманов
6.3 Радиально-осевые направляющие со встроенным плавающим кольцевым регулятором активного нагнетания смазки
Глава 7. Шпиндельные узлы и направляющие с адаптивными гидростатическими и аэростатическими опорами
7.1 Экспериментальные шпиндельные узлы с адаптивными гидростатическими опорами
7.2 Опытно-промышленные шпиндельные узлы с гидростатическими опорами
7.3 Опытно-промышленные шпиндельные узлы с аэростатическими опорами
7.4 Проектирование шпиндельных узлов с адаптивными гидростатическими и аэростатическими опорами
7.5 Адаптивные гидростатические направляющие планшайбы токарно-карусельного станка
Заключение. Основные результаты и выводы
Список библиографических источников

ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы
В современных прецизионных и высокоскоростных металлообрабатывающих станках, в станках для микро-резания, резания сверхтвердым инструментом, а также в тяжёлых и уникальных станках применяют шпиндельные узлы и направляющие с бесконтактными гидростатическими и аэростатическими опорами скольжения у которых точность, нагрузочная способность, скоростные и динамические характеристики превосходят аналогичные показатели других опор скольжения и качения. Основные перспективы исследований и опытно-конструкторских разработок в этом направлении связаны с созданием и комплексным использованием функциональных возможностей гидростатических и аэростатических опор, имеющих встроенные регуляторы адаптивного нагнетания смазки. Дальнейшее совершенствование теории, развитие исследований и разработка на этой основе адаптивных гидростатических и аэростатических опор нового поколения, а также разработка методов оптимального проектирования шпиндельных узлов и направляющих с такими опорами является актуальной научно-технической проблемой машиностроения, решение которой позволяет значительно повысить точность и производительность обработки на металлорежущих станках различного технологического назначения.'
В диссертационной работе представлены результаты исследований, и разработок выполненных по данному научному направлению в ФГОУ ВПО Сибирский федеральный университет (СФУ)1. Они показали возможности и перспективы улучшения точности и производительности металлорежущих станков различного технологического назначения на основе использования шпиндельных узлов и направляющих с адаптивными гидростатическими и аэростатическими опорами нового поколения, которые:
1 до 2007 г. - Красноярский государственный технический университет (КГТУ), до 2002 г. - Красноярский политехнической институт (КрПИ)

При действии горизонтальной нагрузки влево (вправо), шпиндель 5 также смещается влево (вправо), при этом сопротивление истечению из левого (правого) кармана увеличится (уменьшится). Возникшая разность давлений в нагруженном и разгруженном карманах сместит регулятор 2 влево (вправо) увеличивая (уменьшая) сопротивление дросселирующего зазора /;р в нагруженной (разгруженной) зоне и тем самым дополнительно увеличивая разность давлений в соответствующих карманах опоры. Дополнительная разность давлений сдвигает шпиндель 5 в направлении противоположном действию нагрузки. За счёт большой длины дросселирующей щели регулятора значение зазора /гр может доходить до 100 мкм, что снижает вероятность его засорения. Конструктивным и технологическим недостатком опоры является большое число кольцевых регуляторов.
Для шпиндельных узлов малых и средних станков актуально создание компактных высокоскоростных адаптивных гидростатических опор с встроенным многопоточным плавающим регулятором. На рисунке 1.9 показана конструкций такой опоры, разработанная специалистами фирмы ИасЫ — РгфкояЫ Со (Япония) для скоростного шпиндельного узла [33, 40]. Смазка с постоянным давлением рн нагнетается через дросселирующий щелевой зазор Лр между опорной втулкой 2 и кольцевым дроссельным регулятором 3 и далее
через два ряда радиальных отверстий во втулке поступает непосредственно в дросселирующий щелевой зазор несущего смазочного слоя опоры, который не имеет несущих карманов. Радиальную стабилизацию регулятора обеспечивает гидростатический подвес, образованный дросселирующим щелевым зазором Н20 между регулятором 3 и корпусом 1. Смазка в гидростатический подвес регулятора нагнетается под давлением рр через входной дроссель, образованный щелевым зазором /?с. Влияние давления рр на несущую способность
опоры показывает график на рисунке 1.9-в. При внешней нагрузке Г и при давлении рр —> да (т.е. при неподвижном центральном положении регулятора)