Способ обеспечения геометрической точности и размерной настройки высокоточного металлорежущего станка

 

Изобретение относится к станкостроению и может быть использовано в прецизионных станках токарных для автоматической компенсации тепловых деформаций шпиндельных узлов. Геометрическая точность и размерная настройка высокоточного металлорежущего станка при обработке установленной в центрах заготовки осуществляется путем автоматической компенсации теплового смещения шпинделя станка в результате одновременного и адекватного смещению шейки переднего конца шпинделя воздействия на исполнительные механизмы. В результате воздействия изменяется положение радиальное инструмента и взаимное положение базирующих элементов станка относительно базовых центровых отверстий заготовки и инструментов. Воздействие на исполнительные механизмы осуществляют реверсивными пьезоэлектрическими микродвигателями. Базовые центровые отверстия заготовки выполняют тороидальной или сферической формы с некруглостью 3-5 мкм и шероховатостью не выше Ra = 0,20 мкм. Сигнал о величине смещения шейки шпинделя одновременно подают в визуальной цифровой индикатор. Осуществление способа позволяет автоматически в процессе резания при максимальном быстродействии системы обеспечить высокую точность и сохранение размерной настройки при наличии теплового радиального смещения шпинделя с учетом величины и знака смещения. 1 с. и 3 з.п. ф-лы, 3 ил.

Изобретение относится к станкостроению, в частности к способам токарной обработки, а именно к холодной обработке металлов резанием, и может быть использовано при финишной нанотехнической обработке заготовок, например, на прецизионных токарных станках для автоматической компенсации тепловых деформаций шпиндельных узлов.

Известен способ автоматической подналадки положения рабочих органов станков (см. а.с. 673763) посредством гидравлического следящего привода, содержащего золотник, кинематически связанный с задающим устройством, и подналадочное устройство в виде стержня - компенсатора с источником нагрева и охлаждения.

Недостатками этого способа является сложность его реализации, малое быстродействие и низкая точность компенсации тепловых деформаций, вследствие использования управляемых нагревательных устройство, гидропривода и сложной системы управления этими устройствами и того, что погрешности базирования заготовки на станке являются неуправляемой величиной.

Наиболее близким по совокупности существенных признаков является способ компенсации тепловых смещений шпинделя металлорежущих станков (см. а.с. N 1294491), заключающийся в определении избыточной температуры в характерных точках несущей системы и величины тепловых смещений шпинделя станка конкретной модели, доведенного до термостабилизированного состояния. При этом на всех частотах вращения шпинделя определяют величины коррекции перемещения рабочих органов, полученные значения вводят программируемую систему компенсации тепловых смещений, а пребывание станка в установленном термостабизированном состоянии обеспечивают изменением частоты вращения шпинделя.

Этот способ обеспечивает на каждой выбранной частоте вращения шпинделя (детерменированно), по сравнению с аналогом, одноразовую фиксированно-заданную компенсацию тепловых смещений в достаточно узком поле температурного допуска.

Недостатками такого способ являются сложность, связанная с обеспечением термостабилизированного состояния станка, невысокая производительность при уменьшении частоты вращения шпинделя и недостаточная точность из-за инерционности системы и дискретного характера величины коррекции. Этот способ не предусматривает изменения взаимного положения базовых элементов станка и заготовки в процессе коррекции.

Технической задачей изобретения является упрощение способа, повышение геометрической точности и обеспечение размерной настройки при прецизионной обработке посредством автоматической компенсации теплового смещения шпинделя, в т.ч. при работе в период разогрева станка, путем управления влиянием погрешностей базирования заготовки на точность.

Указанная задача достигается тем, что в известном способе, включающем обработку установленной в центрах заготовки и автоматическую компенсацию теплового смещения шпинделя станка, осуществляют одновременно и адекватно смещению шейки переднего конца шпинделя непрерывное корректирующее воздействие на вспомогательные механизмы для изменения радиального положения инструмента и для изменения взаимного положения базирующих элементов станка относительно базовых центровых отверстий заготовки и инструмента.

Причем корректирующее воздействие на исполнительные механизмы осуществляют с помощью пьезоэлектрических исполнительных механизмов, например, реверсивных пьезоэлектрических микродвигателей, а базовые центровые отверстия заготовки выполняют тороидальной или сферической формы с некруглостью 3-5 мкм и шероховатостью не выше R_a=0,20 мкм.

Кроме этого одновременно подают сигнал о величине смещения шейки шпинделя в визуальный цифровой индикатор.

На фиг. 1 приведен график, иллюстрирующий, тепловое смещение шейки переднего конца шпинделя станка: на фиг. 2 - схема устройства для осуществления предлагаемого способа; на фиг. 3 - вариант исполнения центровых отверстий заготовки, изображенной на фиг. 2.

Способ обеспечения геометрической точности и размерной настройки высокоточного металлорежущего станка осуществляют следующим образом.

В процессе приемосдаточных испытаний станка получают экспериментальную зависимость величины теплового радиального смещения Δ_i шейки переднего конца шпинделя от значения избыточной температуры t_i передней опоры шпинделя металлорежущего станка и определяют коэффициент пропорциональности и используют эту характеристику в обеспечении непрерывного корректирующего воздействия адекватного смещению шпинделя с заготовкой (т.е. с учетом величины и знака этих деформаций) одновременно на исполнительные механизмы для изменения радиального положения инструмента и базовых элементов станка, удерживающих заготовку.

Устройство для реализации этого способа содержит термоэлектрический измерительный преобразователь - датчик 1 контроля температуры t_n переднего подшипника 2 шпинделя 3 металлорежущего станка. Выход датчика 1 соединен со входом блока сравнения 4, другой вход которого соединен с задатчиком температуры t₀ окружающей среды, а выход - со входом регулирующего усилителя 5 (блока пропорционального усиления сигнала согласно коэффициенту K_i), выход двигателя 5 параллельно соединен с визуальным цифровым индикатором 6 м и исполнительными механизмами 7, 8 для изменения радиального положения соответственно инструмента 9 и базового центрового элемента 10 с удерживаемой заготовкой 11.

Осуществление способа производилось на примере центровой токарной обработки. С момента включения вращения заготовки 11, имеющей центровые отверстия, для ее обработки на чистовых режимах резания в условиях нанотехнологии настроенным на размер резцом 9 начинается нагрев элементов и тепловое, например, радиальное смещение шейки переднего конца шпинделя 3 (контролируемое на длине l) от начального положения (ось "oo") в положение O_iO_i из-за чего изменяется относительное положение заготовки 11 и резца 9, а также нарушается размерная настройка при резании.

Способ обеспечения высокой геометрической точности и сохранения размерной настройки осуществляют автоматически в следующей последовательности: электрический сигнал с датчика 1 контроля температуры нагрева t_n переднего подшипника 2 шпинделя 3 поступает на вход блока сравнения 4. Туда же подают сигнал, определяемый температурой t₀ окружающей среды, а на выходе блока 4 формируется сигнал разности t_i, зависящий от избыточной температуры подшипника 2 в процессе его нагрева относительно окружающей среды. Далее сигнал с блока 4 подают на блок 5 для пропорционального усиления сигнала согласно установленному коэффициенту K_i. С усилителя 5 подают управляющий сигнал одновременно на исполнительные механизмы 7,8 для изменения радиального положения соответственно резца 9 и базового 10 (задней бабки), поддерживающего заготовку 11, в которой выполнены, например, тороидальные центровые отверстия, обеспечивая тем самым необходимую корректировку относительно положения заготовки 11 и резца 9 на величину Δ_i. Кроме этого, управляющий сигнал о величине смещения подают на цифровой индикатор 6.

Таким образом осуществление способа позволяет автоматически непосредственно при резании при максимальном быстродействии системы обеспечить высокую геометрическую точность и сохранение размерной настройки при наличии теплового радиального смещения шпинделя металлорежущего станка с учетом величины и знака смещения.

Формула изобретения

1. Способ обеспечения геометрической точности и размерной настройки высокоточного металлорежущего станка, например, токарного, при обработке установленной в центрах заготовки путем автоматической компенсации теплового смещения шпинделя станка, отличающийся тем, что осуществляют одновременно и адекватно смещению шейки переднего конца шпинделя непрерывное корректирующее воздействие на исполнительные механизмы для изменения радиального положения инструмента и для изменения взаимного положения базирующих элементов станка относительно базовых центровых отверстий заготовки и инструмента.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что корректирующее воздействие на исполнительные механизмы осуществляют с помощью пьезоэлектрических исполнительных механизмов, например реверсивных пьезоэлектрических микродвигателей.

3. Способ по п.1, отличающийся тем, что базовые центровые отверстия заготовки выполняют тороидальной или сферической формы с некруглостью 3 - 5 мкм и шероховатостью не выше 0,20 мкм.

4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что одновременно подают сигнал о величине смещения шейки шпинделя в визуальный цифровой индикатор.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3