Вдосконалення характеристик привода головного руху верстата

Abstract

Обробка металу різання за своєю суттю є переривчастим процесом різання, на який значною мірою впливає динаміка верстата і шпинделя, а також їх вплив на інструмент і заготовку під час зняття матеріалу. Жорсткість обертання шпиндельної системи в основному визначається механічними властивостями шпиндельного валу і жорсткістю приводу шпинделя. Коли шпиндельна система повністю жорстка, на ріжучі кромки припадає сильний удар. Хоча це значною мірою залежить від механіки руйнування інструменту та властивостей матеріалу заготовки, іноді надмірне навантаження призводить до несподіваного пошкодження інструменту, наприклад, до відколу на ріжучій кромци. У такому випадку можна зменшити пошкодження інструменту, поглинувши силу удару в системі приводу шпинделя за рахунок зниження жорсткості привода. Однак, існує і зворотна тенденція, менша жорсткість обертання шпинделя часто призводить до погіршення якості різання, нестабільності процесу різання та вібрацій для певних матеріалів інструменту та заготовки. Таким чином, для деяких видів обробки бажано зберігати високу жорсткість загального процесу різання. Верстати використовуються для різання найрізноманітніших заготовок інструментами різної форми та з різних матеріалів, тому гнучкість для задоволення різноманітних вимог користувачів є дуже важливою характеристикою для обробки на верстатах. Тому важливо, щоб динаміку обертання шпинделя можна було регулювати, що дозволяє вибирати оптимальні налаштування шпинделя для відповідного процесу різання залежно від типу інструменту, матеріалу заготовки та сфери застосування. Оскільки досягнення гнучкої зміни динамічних характеристик шляхом зміни механічних властивостей не є практичним підходом, вона повинна досягатися за допомогою спеціального керування системою приводу шпинделя. Для програмного керування характеристиками функціонування шпиндельного вузла, двигун головного руху повинен мати високі динамічні характеристики. Такий привод шпинделя є перспективним напрямком для розробки. Відомо, що асинхронні двигуни, які зазвичай використовуються для шпинделів верстатів, не підходять для досягнення високої смуги пропускання через притаманні їм характеристики принципу приводу. Підвищення точності обробки на верстатах з числовим програмним керуванням є однією з найбільш актуальних завдань інженерів та дослідників. Крім того, моторизований шпиндель є основним компонентом верстатів. Однак ця компактна конструкція, що поєднує вбудований двигун і високошвидкісні підшипники, виділяє велику кількість тепла в систему високошвидкісного шпинделя. Крім того, умови розсіювання тепла погані, властивості матеріалів компонентів різні, а структура шпиндельної системи складна. Інтерактивний вплив таких факторів, як розташування та інтенсивність джерела тепла, умови розсіювання тепла, властивості матеріалу та структура, може призвести до складних теплових характеристик. Наприклад, нерівномірний розподіл внутрішніх і зовнішніх джерел тепла викликає пружну теплову деформацію компонентів шпинделя, що призводить до геометричних і формальних похибок оброблюваних заготовок. Тому важливо дослідити теплові характеристики високошвидкісних шпинделів, щоб уникнути погіршення точності обробки на верстатах.

Metal cutting is inherently an intermittent cutting process, which is greatly influenced by the dynamics of the machine tool and spindle, as well as their effect on the tool and workpiece during material removal. The rotational rigidity of the spindle system is mainly determined by the mechanical properties of the spindle shaft and the rigidity of the spindle drive. When the spindle system is fully rigid, the cutting edges are subjected to a strong impact. Although this largely depends on the fracture mechanics of the tool and the properties of the workpiece material, sometimes excessive loading leads to unexpected damage to the tool, such as chipping at the cutting edge. In such cases, tool damage can be reduced by absorbing the impact force in the spindle drive system by reducing the rigidity of the drive. However, there is also a reverse trend, lower spindle rotational rigidity often leads to poor cutting quality, cutting process instability and vibration for certain tool and workpiece materials. Thus, for some types of machining, it is desirable to maintain high rigidity of the overall cutting process. Machine tools are used to cut a wide variety of workpieces with tools of different shapes and materials, so flexibility to meet the diverse requirements of users is a very important characteristic for machining on machine tools. Therefore, it is important that the dynamics of the spindle rotation can be adjusted, which allows you to select the optimal spindle settings for the corresponding cutting process depending on the type of tool, workpiece material and application. Since achieving a flexible change in dynamic characteristics by changing mechanical properties is not a practical approach, it must be achieved using special control of the spindle drive system. For software control of the operating characteristics of the spindle assembly, the main motion motor must have high dynamic characteristics. Such a spindle drive is a promising direction for development. It is known that asynchronous motors, which are usually used for machine tool spindles, are not suitable for achieving high bandwidth due to their inherent characteristics of the drive principle. Improving the machining accuracy of CNC machine tools is one of the most pressing tasks for engineers and researchers. In addition, the motorized spindle is a core component of machine tools. However, this compact structure, which combines an integrated motor and high-speed bearings, releases a large amount of heat into the high-speed spindle system. In addition, the heat dissipation conditions are poor, the material properties of the components are different, and the structure of the spindle system is complex. The interactive effects of factors such as the location and intensity of the heat source, heat dissipation conditions, material properties, and structure can lead to complex thermal characteristics. For example, the uneven distribution of internal and external heat sources causes elastic thermal deformation of the spindle components, resulting in geometric and formal errors of the workpieces being processed. Therefore, it is important to investigate the thermal characteristics of high-speed spindles to avoid the deterioration of the machining accuracy of machine tools.