Техносфера - Тепловые процессы в металлорежущих станках

Содержание

Введение ...................................................................................... 7

Глава 1

Точность металлорежущих станков и их тепловой режим 10

1.1.

Эволюция и энергетический барьер точности металлорежущих станков .......................................................................................... 10

1.2.

Характеристика источников тепловыделений в металлорежущих

станках .................................................................................... 36

1.3.

Конструктивные и компоновочные решения станков и их тепловой

режим...................................................................................... 46

1.4.

Тепловое поведение металлорежущих станков при их нагреве .......... 62

1.5.

Изменение точности металлорежущих станков при нагреве ............. 78

1.6.

Эффективность металлообрабатывающего оборудования и производственных систем........................................................................ 90

1.7.

Методы оценки энергоэффективности металлорежущих станков ...... 97

1.8.

Оценка энергоэффективности металлорежущих станков и их классификация................................................................................... 100

Глава 2

Теплофизическая структура металлорежущих станков .. 111

2.1.

Общая характеристика построения и описания компоновок металлорежущих станков....................................................................... 124

2.1.1.

Функции и критерии подобия теплового поведения деталей и узлов металлорежущих станков................................................ 155

2.2.

Закономерности теплового поведения металлорежущих станков ....... 162

2.3.

Метод ускоренной оценки температур и температурных деформаций

металлорежущих станков............................................................ 188

Глава 3

Теплофизические структуры для оценки температурно-

го режима металлорежущих станков ................................... 203

Глава 4

Характеристики источников тепловыделений в металлорежущих станках ....................................................................... 225

4.1.

Тепловыделения в подшипниковых опорах качения узлов металлорежущих станков.......................................................................... 225

4.2.

Тепловыделения в узлах и деталях металлорежущих станков .......... 278

Глава 5

Теплофизические параметры и характеристики деталей

и узлов металлорежущих станков ......................................... 282

5.1.

Оценка теплоотдачи узлов и деталей станков................................. 282

Глава 6

Методы оценки и модели стационарных температур металлорежущих станков, их деталей и узлов ....................... 308

6.1.

Тепловые модели для оценки теплового режима металлорежущих

станков .................................................................................... 308

6.2.

Методы оценки стационарных температур деталей металлорежущих

станков .................................................................................... 317

6.3.

Стационарные температурные поля шпинделя и ходового винта....... 325

6.4.

Стационарные температуры базовых и корпусных деталей металлорежущих станков....................................................................... 336

6.5.

Метод конечных элементов в расчетах теплового режима деталей и

узлов металлорежущих станков ................................................... 343

Глава 7

Тепловые модели и методы оценки нестационарного теплового режима деталей и узлов металлорежущих станков 365

7.1.

Модели и оценка температур шпиндельных узлов и ходовых винтов

металлорежущих станков............................................................ 365

7.2.

Модели и оценка нестационарных температур базовых деталей металлорежущих станков ............................................................... 390

Глава 8

Методы оценки и модели нестационарных температурных деформаций металлорежущих станков, их деталей и узлов.............................................................................. 409

8.1.

Общие положения...................................................................... 409

8.2.

Методы аналитического расчета тепловых смещений элементов станка, шпиндельные узлы ............................................................... 410

Глава 9

Методы воздействия на тепловой режим металлорежущих станков................................................................................. 424

9.1.

Классификация методов воздействия и управления тепловым состоянием металлорежущих станков .................................................. 424

9.2.

Параметры и методы воздействия на тепловое состояние металлорежущих станков, их деталей и узлов .............................................. 434

9.3.

Методы воздействия и управления тепловым состоянием шпиндельных узлов и передачей ходовой винт – гайка качения....................... 462

Введение
В общей совокупности процессов, протекающих при обработке металлов резани-
ем, тепловой фактор играет весьма важную роль. Доля тепловых деформаций в
общем балансе погрешностей обработки и точности станка тем выше, чем жестче
требования к точности обрабатываемых деталей. Особую роль играют тепловые
деформации в станках с ЧПУ, так как они являются более энергоемкими, а до-
ля машинного времени достигает 70–90%. В станках с ЧПУ до 50% энергии,
подводимой к ним, рассеивается в структуре станка, вследствие электрических,
механических и иных потерь превращается в тепловую, тем самым увеличивая
теплонапряженность конструкции станка, его деталей, узлов и элементов. Доля
тепловых погрешностей в общем балансе точности станков с ЧПУ может дости-
гать 30–70%, причем характер и степень их влияния неодинаковы для различных
параметров точности обрабатываемых деталей.
Негативной стороной теплового фактора является также и то обстоятельство,
что он ограничивает повышение скоростей перемещения (вращения) рабочих ор-
ганов станка шпиндельных узлов и приводов подач. Помимо перечисленных
воздействий, тепловой режим станка влияет и на такие характеристики станка,
как геометрические, упругие, параметры работоспособности, долговечности, т. е.
на технический уровень станка в целом.
Современное состояние и тенденции развития металлорежущих станков, обу-
словливают необходимость увеличения их энергонасыщенности, времени произ-
водительного функционирования, концентрации выполняемых операций на од-
ном станке, расширение функциональных возможностей металлорежущих стан-
ков, повышение скоростей и других параметров и характеристик, требует как
значительного увеличения энергетических затрат, так и необходимости их посто-
янного роста. Это, в свою очередь, приводит к росту потерь механической энер-
гии деталей поступательного и вращательного движений, электрических потерь
мехатронных узлов (мотор–шпиндель, линейные приводы), потерь в подшип-
никовых опорах, наибольшая доля которых приходится на шпиндельные узлы.
В частности, например, скорости вращения шпиндельных узлов металлорежу-
щих станков за последние 10 лет возросли в 1,5–2 раза, а их мощность увеличи-
лась в 7–8 раз, аналогично возросли скорости перемещения рабочих органов и их
мощность.
Прогресс в создании новых инструментальных материалов позволяет суще-
ственно повысить скорости резания при обработке металлов на металлорежущих
станках. Основным препятствием к повышению скоростей обработки на метал-
лорежущих станках является невозможность адекватного повышения скоростей
вращения и перемещения рабочих органов станков, и в первую очередь это отно-
сится к шпиндельным узлам и приводам подач. Создание таких быстроходных
узлов обусловливает необходимость решения ряда остро стоящих проблем
снижения уровня тепловыделений и уровня нагрева узлов, который, с одной
стороны, снижает работоспособность (а часто и не позволяет с помощью тра-
диционных конструкций, материалов и методов создавать быстроходные узлы
с требуемыми параметрами), а с другой стороны, высокая температура узлов
обусловливает и вызывает термоупругие деформации деталей станка, что суще-
ственно влияет на параметры точности всего металлорежущего станка.
С этой целью проводятся работы по созданию специальных высокооборотных
подшипников, применение таких видов и способов смазки, которые обеспечивают
интенсификацию отвода тепла, систем и устройств регулирования натяга в под-
шипниковой опоре и т. п. Разрабатываются новые материалы, конструктивные и
технологические методы по снижению потерь на трение и многое другое.
Экспериментальные исследования температурных полей и тепловых дефор-
маций станка необходимы для определения и оценки реальных и фактических
величин его теплового режима, однако они требуют значительных затрат време-
ни и являются достаточно трудоемкими. Кроме этого, экспериментальная оценка
всего комплекса параметров, которые определяют и формируют тепловой режим
и температурное состояние деталей, узлов и станка в целом, является и матери-
ально, и экономически, и физически сложной задачей, анализ которой также
представляет определенные трудности.
Поэтому необходимо как качественно, так и количественно оценивать ожидае-
мый тепловой режим и тепловое поведение металлорежущего станка, определять
их характер и изменение во время его работы, что позволит как при проектиро-
вании, так и при эксплуатации станка принимать рациональные и эффективные
решения по снижению, компенсации, коррекции и управлению теплостойкостью
станка.
Для активного воздействия на процесс формирования технического уровня
станка необходимо решать не только конкретные инженерные задачи, но и искать
общие принципы и закономерности формирования теплового облика, состояния
и поведения станка.
Следовательно, изучение закономерностей формирования и протекания теп-
ловых процессов в металлорежущих станках, выявление основных принципов
взаимодействия тепловой энергии, рассеиваемой в структуре станка, с элемента-
ми, деталями, узлами станка и окружающей средой являются необходимой науч-
но-методической базой теплофизического анализа проектируемых станков. При
этом должны быть разработаны методы структурного теплофизического анализа
и синтеза станков, когда выбираются принципиальные компоновочные решения,
методы параметрического теплофизического анализа и синтеза станков, когда
определяются и оптимизируются параметры узлов, деталей и элементов станка,
которые определяют уровень его теплового режима и теплонапряженности.
Совокупность перечисленных методов, правил их применения составляет про-
цесс теплофизического проектирования металлорежущих станков, т. е. процесс
обеспечения заданного уровня теплового режима и теплонапряженности станка.
Способность станка противостоять (сопротивляться) тепловым воздействи-
ям характеризует его теплостойкость. Численно величина теплостойкости может
быть выражена в единицах температуры, когда речь идет об уровне нагрева и
его теплового режима, или в единицах смещений (линейных или угловых), когда
речь идет об уровне деформаций и взаимных относительных изменений положе-
ния узлов и деталей станка.
Все это позволяет разрабатывать и обусловливает большое разнообразие ме-
тодов воздействия на теплостойкость металлорежущих станков, основанных на
глубоком анализе тепловых процессов, протекающих в станках при их работе.
Области применения и эффективность методов воздействий на теплостойкость
так же различны, как и разнообразны способы и средства, реализующие их.
В настоящей работе приведены как аналитические, так и численный метод
метод конечных элементов решения задач по определению и оценке темпе-
ратуры нагрева основных теплоактивных и теплонапряженных деталей и узлов
станков шпиндельных узлов, ходовых винтов, корпусных и базовых деталей.
Приводятся критерии для быстрой инженерной оценки уровня нагрева, рассмот-
рены и обосновываются мероприятия по направлениям и методам снижения воз-
действия на уровень их теплового режима.
Систематизирована и дана классификация тепловых моделей, приведены ти-
повые расчетные схемы, даны необходимые сведения по определению коэффици-
ентов теплоотдачи. Подробно рассмотрены существующие и проверенные методы
по определению коэффициентов теплоотдачи, методы определения потерь мощ-
ности, даны соответствующие зависимости.
Указаны пути и направления снижения и стабилизации температур шпин-
дельных узлов металлорежущих станков. Установлены параметры, оказывающие
влияние на тепловой режим деталей и узлов станка, дана оценка значимости и
степени их влияния на формирование теплового режима, что в целом позволит
найти и сопоставить эффективность тех или иных конструктивных решений и
иных мероприятий для обеспечения заданного уровня теплового режима.

ГЛАВА 1.
ТОЧНОСТЬ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ И ИХ ТЕПЛОВОЙ РЕЖИМ
1.1. Эволюция и энергетический барьер точности металлорежущих станков

Научно-технический прогресс в области материального производства обусловлен
применением научных и технических достижений, базирующихся на изучении
физических процессов, явлений, систем и структур, способов, форм и видов
их взаимодействий, приводящих к созданию более эффективных технологий,
машин, оборудования, а также к совершенствованию существующих способов
производства изделий. Материальное производство как система состоит из двух
элементов: предмета с присущими ему свойствами и технологии его изготовле-
ния. Это обусловливает принципиальную возможность развития такой системы в
двух направлениях: 1 совершенствование и создание нового предмета (машин,
оборудования) и 2 новых технологий производства.
Совершенствование и создание новых предметов (деталей, устройств, меха-
низмов и машин), вызываемое развитием нужд и потребностей общества, измене-
ние и формирование новых функциональных и качественных свойств предметов,
их характеристик и параметров обусловливают соответствующие требования к
изменению, развитию и созданию новых процессов как технического, так и техно-
логического оборудования, а также его (оборудования) технико-технологических
и иных параметров и характеристик, в частности производительности, точности
и эффективности, которая определяется затратами ресурсов на их создание и
эксплуатацию.
Развитие сложных технико-технологических систем происходит в направле-
нии достижения ими максимальной степени идеальности их функционирования,
что происходит как в рамках совершенствования существующих конструктив-
ных решений, так и при принципиальном изменении конструктивных решений
на новых физических принципах или их сочетаниях. Такое направление развития
определяется и обусловливается за счет всестороннего использования более глу-
бинных физико-химических свойств материи и энергии при их взаимодействии.
Это приводит к переходу на новый уровень структурных составляющих технико-
технологических систем с макро- до микро- и наноуровня.
Требования к необходимости достижения изделиями высоких показателей
степени идеальности (точности) и ее постоянный рост особенно ярко проявляются в таких отраслях, как астрономическая, авиационная, космическая, атомная,
электронная, медицинская, биологическая, и некоторых других.
Металлорежущие станки, технологическое оборудование и системы являют-
ся основными средствами производства деталей как элементной базы для всех
перечисленных выше отраслей промышленности, и поэтому к ним предъявля-
ются еще более высокие и жесткие требования точности, производительности и
эффективности.
Высокие требования к достижимым параметрам точности обрабатываемых на
станках изделий обусловливают необходимость постоянного увеличения точно-
сти самих металлорежущих станков. В течение многих десятилетий инженерами
и специалистами постоянно проводятся работы по достижению требуемых вы-
соких параметров и характеристик точности станков, формирование которых
обусловливается на всех этапах их жизненного цикла при проектировании,
производстве и промышленной эксплуатации станков.
Представления, понятия и степень их глубины, системность и адекватность
модели формирования указанных характеристик и описание процесса их функ-
ционирования является важнейшим средством познания их состояния, эволюции
и тенденций развития.
Различные подходы к методам оценки и контроля точности и качества метал-
лорежущих станков, разнообразие терминологических понятий и характеристик,
несоответствие предпочтительности способов оценки станков потребителями и
изготовителями обусловлены широким спектром представлений о выходных па-
раметрах точности станков, которые предполагаются всеми одинаково понимае-
мыми, допускают аналогичное толкование и содержат одну и ту же смысловую
нагрузку.
Структура выходных параметров точности металлорежущего станка и их
взаимосвязь с выходными параметрами технологической системы, реализующей
процесс обработки металлов резанием, результатом которого является изделие, а
свойства изделия, в частности достигаемая точность обработки, формируются во
время осуществления технологического процесса его обработки, характеризуют
качество всего технологического процесса и являются его естественными вы-
ходными параметрами. При этом технологический процесс рассматривается как
последовательность или совокупность взаимосвязанных технологических состо-
яний, позволяющих оценить показатели качества выходных параметров (напри-
мер, геометрической точности), достигаемых в результате выполнения отдельных
технологических операций.
Таким образом, технологическая система, построенная на основе металлоре-
жущего станка, предназначена для осуществления всего технологического про-
цесса обработки резанием либо его определенной информационно и технологиче-
ски законченной части, выполняемой на одном рабочем месте, и обеспечивает
формирование изделия с заданными свойствами, а под выходными парамет-
рами технологической системы, одним из элементов которой является станок,
понимают достигаемые точность и/или производительность выполняемого тех-
нологического процесса.
В этом случае под показателями качества обрабатываемых изделий, харак-
теризующими отдельные их свойства, выступают точность размера, формы и
расположения обрабатываемых поверхностей, их шероховатость и физико-меха-
нические параметры.
В качестве выходных параметров точности станка также используются (и понимааются) точность размеров, формы и расположения обрабатываемых деталей,
и по величинам их отклонений оценивается точность металлорежущего станка.
Очевидно, что одни и те же выходные параметры не могут одновременно объек-
тивно характеризовать точность и качество станка, как элемента технологической
системы, так и всю технологическую систему, выходные параметры которой фор-
мируются совокупностью всех ее элементов, каждый из которых вносит свой
вклад и имеет свою собственную долю влияния на параметры и свойства изделия.
Хотя обработанная на станке деталь и концентрирует в себе свойства техноло-
гической системы и их проявление всеми ее элементами, но это не позволяет
объективно судить о выходных параметрах каждого элемента в силу сложных
взаимосвязей и взаимодействий между всеми элементами технологической сис-
темы.
Поэтому для более достоверной оценки точности и качества станков необхо-
димо определить такие их выходные параметры, которые объективно отражают
свойства станка, обусловленные его функциональным назначением, и которые
могут быть рассчитаны, оценены и/или определены экспериментально.
Рассмотрим в исторической перспективе понятие точность применяемое в
отношении металлорежущих станков.
«Представляя общую поверхность детали, состоящей из отдельных участков,
отождествляемых с некоторыми геометрическими образами, мы можем говорить
о соответствии реальной и заданной детали в четырех направлениях: точность
формы, точность размеров, точность взаимного расположения и чистота поверх-
ности» [118, с. 5]
«Понятие»точность» относится к сравнению двух деталей реальной и за-
данной, различие между которыми обусловлено несовершенством изготовления.
Конструктивные различия (варианты конструкции) к понятию точность отно-
шения не имеют» [118, с. 5, 6]
«Точность один из важнейших показателей качества машин, существенно
влияющих на все критерии работоспособности их механизмов, а следовательно,
и на выходные показатели машин: быстроходность, энергетическую эффектив-
ность, материалоемкость, надежность и долговечность. Точность технологиче-
ских машин в решающей степени определяет точность изделий . . . Проблема
точности станков является первостепенной» [119, с. 5]
«Точность это разница между фактическим и номинальным значением. Ее
также называют как ошибка» [120, с. 226]
«Точность максимальная линейная или угловая погрешность (ошибка, от-
клонение) между любыми двумя точками в рабочем объеме станка» [121, с. 58]
В соответствии с ГОСТ Р ИСО 5725-1-2002»точность (accuracy): степень
близости результата измерения к принятому опорному значению». Термин точ-
ность, когда он относится к серии результатов измерений (испытаний), включает
сочетание случайных составляющих и общей систематической погрешности. При-
нятое опорное значение служит в качестве согласованного для сравнения и полу-
чено как теоретическое или установленное значение, базирующееся на научных
принципах, приписанное или аттестованное, базирующееся на эксперименталь-
ных работах, согласованное или аттестованное, базирующееся на совместных экспериментальных работах математическое ожидание измеряемого значения лишь
в случаях, когда предыдущие три недоступны.
«Одной из основных характеристик, определяющих функционирование ме-
ханизма, является точность его работы. Точность механизма характеризуется
разностью фактических и расчетных значений параметров механизма» [122, с. 5]
которые [123, с. 3] рассматривается как»ошибка механизма», а»идеальный меха-
низм осуществляет предписанный закон движения с абсолютной точностью или
воспроизводит [124, с. 7] заданную зависимость с абсолютной точностью».
«Точность определяется как близость между эталонным и полученным значе-
ниями величины. В инженерных системах точность это максимальная ошибка
поступательного или вращательного движения между заданным и фактическим
положением [125, с. 14] Причем эта ошибка рассматривается как вдоль линии
перемещения, в плоскости между двумя произвольно расположенными точками,
так и в объеме между точками расположенными в пространстве» [126, с. 59, 60]
«Танигучи, говоря о точности, понимал прецизионность, точность и шерохова-
тость, но не повторяемость. . . . мы заинтересованы в понятиях точность, повто-
ряемость и разрешение (рис. 1.1). Разные авторы имеют немного отличающиеся
представления относительно этих понятий. Когда люди говорят о»точности стан-
ка», то часто подразумевают широкий смысл исполнения станка. Например, под
понятием точность станка может подразумеваться разрешение, повторяемость
и точность в том же самом значении понятия» [126, с. 49]
Потребителями металлорежущих станков предпочтение отдается прежде все-
го понятию»достижимая точность обработки» деталей на этих станках.
Поэтому разнообразие характеристик терминологического понятия»точность
станков» при всей их относительной близости и содержательном представлении,
широкий спектр выходных параметров станков требует их рассмотрения и обоб-
щения с позиций системного единства.
Для этого рассмотрим энергоинформационную модель [128], основным ре-
зультатом функционирования которой является производство деталей с задан-
ными свойствами, параметрами и характеристиками (рис. 1.3). Применительно к процессам обработки металлов резанием, результатом которой является
деталь, на этом рисунке приведена структура взаимосвязей физических про-
цессов и формируемых ими свойств детали. Выделены составляющие элементы
системы, которые обеспечивают формирование размера детали физический
процесс I осуществляемый инструментом, и поверхности детали физический
процесс II формообразования поверхности, осуществляемый рабочими органа-
ми станка. Другие характеристики и параметры, которые описывают свойства
(информационный образ) детали формируются иными методами обработки в со-
ответствии с технологическим образом детали [129].
Следовательно, технологический процесс (ТП) производства детали является
множеством физических процессов I (на рис. 1.3 для обработки резанием при-
менено понятие физический процесс пластического деформирования, который
обусловливает получение размера) и соответствующее ему множество структур
пространственно-временных законов преобразования положения II физического
процесса (на рис. 1.3 кинематический процесс формообразования, который
определяет получение требуемой формы детали). Для достижения другого тре-
буемого свойства детали, например твердости, необходимы другие физические
процессы (отличные от пластического деформирования) и соответствующие за-
коны их пространственно-временного преобразования.
В зависимости от вида энергии, направленной и осуществляющей изменение
состояния, структуры и свойств материала, количества и способа передачи ин-
формации различают виды реализуемых технологических процессов: обработка
резанием (механообработка), обработка давлением, литье, сварка, термическая
обработка, гибка и другие.
Информация о количественных, качественных, геометрических параметрах,
форме, структуре, состоянии, положении и свойствах изделия (предмета, дета-
ли), заключенная в его описании или чертеже, является информационным
образом изделия.
Информация о геометрических параметрах, форме изделия и их свойствах,
заключенная в ее описании или чертеже, является геометрическим образом
изделия.
Информация о последовательности преобразования материи, энергии и ин-
формации, заключенная в документах, определяющих модель последовательного
достижения равенства (в широком смысле) информации о материальном объекте
и его информационном образе, технологический образ изделия.
Образы, которые характеризуются неизменностью одного или нескольких свойств,
будем называть единичными образами.
Образы, которые не изменяют свои заданные свойства, будем называть но-
минальные, или идеальные, образы. Тогда реальные образы это изделия,
информационное содержание которых описывается фактическими, реальными
свойствами, формируемыми в технологическом процессе производства при взаи-
модействии материи, энергии и информации.
Информация о геометрических параметрах, форме и свойствах изделий ха-
рактеризует виды технологий:
– нанотехнологии характерный геометрический размер менее 10−7–10−9 м.;
– микротехнологии характерный геометрический размер 10−7–10−5 м.;
– обычные, или традиционные, технологии характерный геометрический
размер больше 10−3 м.
Изменения, деформация, искажения свойств и отношений соответствующих
образов обусловливают и определяют их качественные и количественные по-
казатели, параметры и характеристики. К таким показателям можно отнести
точность, производительность, надежность, энерго- и материалоемкость и т. п.
Например, точность технологического процесса определяется уровнем соот-
ветствия или степенью приближения реальных свойств, параметров и характе-
ристик процесса получения изделия (предмета, продукта или детали) его образу
(информационному, геометрическому, технологическому) номинальному, за-
данному или идеальному значению. Поэтому необходимо различать следующие
понятия»точность»:
точность изделия, физически (реально) достижимая точность, энергети-
чески достижимая точность, точность физического процесса, технологиче-
ская точность, точность машины, оборудования, производственной системы,
структурная точность, эффективная точность и т. п.
Иными словами точность как свойство системы при системном рассмотрении
также является результатом отражения взаимодействия структурных связей и
отношений элементов системы, которые в данном случае порождают, как сказано
выше, новую систему, основным свойством которой является точность.
Таким образом,
точность (accuracy) степень соответствия свойств(а) предмета, объек-
та, системы, процесса, явления его номинальному, заданному, установлен-
ному, допустимому, идеальному значению или закону.
Информационное определение: точность разность массивов информации,
описывающих идеальные свойства объекта и их реальное, фактическое значение.
Математическое понятие: точность отклонение детерминированное, век-
торное или отклонение величины поля состояния свойств объекта относительно
его теоретического.
Структурное определение: точность степень отклонения связей и/или от-
ношений между элементами структуры.
Элементами структуры понятия точность как системы являются их по-
грешности, ошибки (error) и отклонения их свойств в поле состояния объекта
[130, 131].
Создание станков, в которых одновременно или последовательно выполняют-
ся различные методы обработки разными инструментами, каждый из которых
осуществляет независимо от другого линейное и/или вращательное движения,
например токарно-фрезерные центры, фрезерно-шлифовальные станки, приве-
ло к дополнению к традиционной классификации новым классом, который по
достаточно удачному термину, предложенному T. Moriwaki получил название
«Multi-functional Machine Tool» («Многофункциональные станки»). Кроме это-
го, появилась группа станков под общим названием класса «Multitask Machine
Tool» («многозадачные» станки), в которых применяются и другие физические
принципы изменения свойств детали, например лазерная обработка и т. п. Поэто-
му целесообразно ввести наименования групп и классов оборудования, которые
отражают не только метод обработки (точение, сверление и т. п. (количество кото-
рых достаточно велико), а в первую очередь физические принципы, реализуемые
этим оборудованием. Например, возможны следующие группы:
1. Оборудование, которое реализует взаимодействия:
1.1. «Твердое тело» «Твердое тело»
2.2. «Твердое тело» «Состояние среды»
3.3. «Твердое тело» «Физическое поле».
2. Оборудование, которое реализует комбинацию взаимодействия:
2.1. «Твердое » «Твердое тело» «Состояние среды»
2.2. «Твердое тело» «Твердое тело» «Физическое поле»
2.3. «Твердое тело» «Состояние среды» «Физическое поле».
3. Оборудование, которое реализует взаимодействие твердых тел и полей без из-
менения параметров, свойств и характеристик детали:
3.1. Контрольно-измерительные машины.
3.2. Контрольно-измерительные приборы и устройства.
3.3. Ручные средства контроля и измерения.
В свою очередь физический процесс взаимодействия, реализуемого в оборудо-
вании как системе, также может быть как однородным, например, пластическое
деформирование, так и множественным, например, пластическое деформирова-
ние (резание) и плавление (шлифование), пластическое деформирование (реза-
ние) и нагрев лазерным лучом и т. п., которые по времени могут происходить
одновременно или последовательно и в разных технологических средах, напри-
мер в среде инертных газов и др. В этом случае реализуются так называемые
гибридные технологии, разнообразие которых достаточно велико.
Размер, который требуется обеспечить любым из указанных методов взаимо-
действия, характеризуется как требуемое расстояние между взаимодействующи-
ми объектами (телами, полями, состояниями) в направлении, перпендикулярном
к поверхности продукта, которое является необходимым и достаточным и ко-
торое обусловлено законами протекания и осуществления физических процессов
или явлений, в то время как форма поверхности определяется видом закона одно-
временных взаимосвязанных относительных движений (элементарных линейных
и вращательных) объектов при непрерывном осуществлении физического процесса.
Металлорежущий станок, у которого физический процесс I (см. рис. 1.3) от-
сутствует, является измерительной машиной (CMM).
Следовательно, при таком системном энергоинформационном рассмотрении
модели структур различных видов технологического оборудования получим, ис-
ходя из вышеприведенного определения, точность, как понятие, которое содер-
жательно отражает свойство размера (линейная или векторная величина), и как
понятие, которое содержательно отражает свойства и характеристики законов
положения, движения, состояний, взаимодействий.
Исторический процесс повышения точности происходил быстро. К 1776 г.,
согласно письму Уатта, можно было получить точность расточки цилиндра дли-
ной 72 дюйма в толщину шестипенсовой монетки (т. е. 2000 мкм) [119, с. 4], а
по данным Дж. Уилкинсона (1775 г.), расточка цилиндра диаметром 57 дюймов
производилась с такой же достижимой точностью 2000 мкм. [120, с. 11]. Темп
роста достижимой точности изготовления особенно высок в наше время. Он воз-
растал в 10 раз каждые 20 лет. Так, относительная погрешность изготовления в
1940 г. составляла 10−4, в 1960 г. 10−5, в 1980 г. 10−6 м.
В научной литературе приводятся схемы графики изменения достижимой
точности обработки с 1900 г. по 1980 г. с прогнозными значениями до 2000–2020 гг.
Начиная с работы Taniguchi N. (1974 и 1983, 1994 гг.) и модификации этой схе-
мы (по отношению к первоначальной) представления опубликованы с различной
степенью полноты и детализации видов станков и технологических процессов в
работах McKeown P.A. (1987 г.), Byrne G., Dornfeld D., Denkena B. (2003 г.). Да-
ны также схемы изменения достижимой точности обработки с 1900 г. по 1980 г. с
прогнозными значениями до 2000 г., а в работах (табл. 1.1) Mekid S. [125, с. 131,
2009 г.] и CIRP Encyclopedia [133, с. 798, 2014 г.] приводятся данные до 2020 г.
На рис. 1.4 приведена схема [134, с. 144], которая иллюстрирует изменение до-
стижимой точности, а случайные составляющие на схеме добавлены из [132].
Необходимо заметить, что в настоящее время применяются следующие харак-
теристики видов обработки и их обобщенных понятий, приведенных на рис. 1.4:
– традиционная (стандартная, ординарная) обработку включает точение,
фрезерование, прецизионное точение, шлифование, полирование, хонинго-
вание, обработка на станках с ЧПУ;
– прецизионные виды обработки координатно-расточная, координатно-шли-
фовальная, суперфинишное полирование, шлифование, алмазное точение и
шлифование;
– высокопреционная обработка высокопрецизионное шлифование, прити-
рание, полирование;
– ультрапрецизионная обработка атомарная, молекулярная, ионно-лучевая,
нанопроцессы и нанообработка.
В отличие от схемы Taniguchi N. (1974 г.), где было поименовано три вида
обработки (традиционная, прецизионная, ультрапрецизионная) на рис. 1.4 появи-
лась дополнительная кривая между прежними традиционной и прецизионной,
что, по всей видимости, обусловлено иллюстрацией более строгого соблюдения
пропорций расположения кривых с кратностью в 10 раз между ними (5–0, 5–
0,05–0,005 мкм). Это и привело к большей дифференциации наименований и
к появлению дополнительного вида высокопрецизионнаой обработкой. В этом
усматривается определенный смысл, так как все виды механической обработки
лежат выше кривой высокопрецизионная обработка после 1980 г. с потенциально
достигаемой точностью не более 0,01 мкм (10 нм).
Очевидно, что необходимо задаться вопросом о пределе достижимой точности
и ее обосновании, что авторами указанных схем не рассматривалось и пределы
указаны неочевидно. Так как реально измерить достижимую точность в 2020 г.
пока невозможно, а вопрос необходимости и обоснованности затрат и усилий на
достижение не совсем очевидного результата неоднозначен для каждого вида об-
работки, что требует достаточно строгого или вероятного в своем максимальном
правдоподобии ответа. Кроме этого, не ясен вопрос о виде и характере кривых
как до, так и после рассмотренного периода (1990–1980 гг.).
История исследований процесса резания металлов [135] концептуально бази-
ровалась на следующей принципиальной физической постановке задачи, в кото-
рой принимались следующие положения:
– Физическая модель удаление (отделение) материала;
– Физический процесс деформирование упругое, пластическое;
– Физическое явление разрушение за счет образования дислокаций, тре-
щин.
Пластическая деформация наступает при достижении касательных напряже-
ний предела текучести на сдвиг и завершается макроразрушением. Деформация
происходит за счет сколюьжения, двойникования и относительного перемеще-
ния зерен. На атомном уровне к внутризеренному сдвигу приводят различные
способы движения дислокаций в плоскостях скольжения и двойникования, а меж-
зеренный сдвиг диффузией точечных дефектов по границам зерен, при этом
диффузии вакансий уступают скорости движения дислокаций, которая соизме-
рима со cкоростью распространения звука (порядка 5000 м/с).
На рис. 1.5 показаны геометрические размеры для оценки вида процесса фи-
зического явления разрушения. Следовательно, модели образования и описание
механизма процесса разрушения можно разделить на уровни относительно гео-
метрического размера их рассмотрения:
– субмикроскопический уровень (атомные размеры порядка 10−9 м), когда
происходит нарушение атомных связей;
– микроскопический уровень (размеры порядка 10−7–10−6 м), когда образу-
ются микротрещины по границам зерен;
– макроскопический уровень (размеры порядка 10−3 м), когда образуются
трещины и происходит их движение из области концентрации напряжений.
Применительно к процессу обработки материала различают пластическое раз-
рушение, которое происходит при пластической деформации по всему объему те-
ла (обработка давлением), и хрупкое разрушение (обработка резанием), которое
происходит за счет распространении трещины при пластической деформации,
происходящей в малой области.
Рассмотрим с энергетической точки зрения приведенные выше три уровня
процесса разрушения: в табл. 1.2 приведены диапазоны значений удельной энер-
гии, необходимой для выполнения собственно физического процесса резания
пластической деформации материала, характер которой определяется физиче-
ским явлением, обусловливающим этот процесс (трещина, смещение, сдвиг) в
соответствии с величиной снимаемого материала [134]–[137].
Развитие техники обусловило необходимость изменения тенденции развития и
областей применения процессов резания, которые, как отмечалось, осуществляют
процессы обработки деталей разных геометрических размеров и с разной вели-
чиной срезаемого материала: субмикронное резание (размер порядка 10−6 м),
микрорезание (размер порядка 10−5–10−6 м), тонкое резание (размер порядка
10−4–10−5 м), ординарное, или традиционное, резание (размер порядка 10−3–
10−4 м), толстое, или тяжелое, резание (размер свыше10−3 м). Поэтому если
рассматривать физическую причину, то объяснение приведенных на рис. 1.4
значений достигаемой точности, которые, как это следует из вышеописанного ме-
ханизма резания и его геометрической аналогии, обусловлены в первую очередь
энергетическими и соответствующими им геометрическими характеристиками
удаляемого слоя материала резанием. Возможность достижения металлорежу-
щим станком технологически и конструктивно оправданного обеспечения уров-
ня энергии, требуемого для соответствующего процесса резания, определяется
уровнем развития преобразователей энергии, применяемой в металлорежущих
станках наряду с другими составляющими, формирующими точность обработки.
В идеальном случае, когда обеспечивается необходимый размер срезаемого ма-
териала, можно говорить об энергетическом барьере уровня достигаемой
точности и соответствующем пределе достижимой точности.
Кроме этого, для более полного и всестороннего представления об эволюции
изменения точности рассмотрим ее в контексте представлений об эволюции раз-
вития техники (рис. 1.6) и технологических укладов (рис. 1.7) согласно циклам
Кондратьева Н.Д. на протяжении обозримой истории.
Развитие технического объекта по известной и широко применяемой схеме,
так называемой S-образной кривой (рис. 1.6), происходит до уровня предельных
возможностей развития для физического принципа действия, который реализу-
ет рассматриваемый технический объект. В настоящее время считается [138], что
мировая экономика в своем развитии прошла пять технологических укладов и
приближается к шестому технологическому укладу (ТУ). 1-й ТУ (1770–1830),
ядро уклада текстильная промышленность; 2-й ТУ (1830–1880), ядро укла-
да паровое судоходство, добыча угля, развитие железнодорожного транспорта;
3-й ТУ (1880–1930), ядро уклада черная металлургия, железные дороги, кораб-
лестроение, производство взрывчатых веществ; 4-й ТУ (1930–1970), ядро укла-
да автомобилестроение, самолетостроение, нефтехимия; 5-й ТУ (1970 н.в.),
ядро уклада электронная промышленность, вычислительная техника, оптико-
волоконная техника, программное обеспечение, телекоммуникации; 6-й ТУ будет
основываться на биотехнологиях, нанотехнологиях, робототехнике, технологиях
виртуальной реальности и др.
Таким образом, эволюция развития достижимой точности и технологическо-
го оборудования, в частности металлорежущих станков, обусловлена в первую
очередь требованиями, потребностями и направлениями развития общества, и в
частности промышленности. Это определяло и необходимый для этого уровень
развития техники, требования к ее деталям, узлам, механизмам, устройствам
и системам, потенциала технологии и процессов, используемые ими физические
принципы и явления, уровень их совершенства и др. Следовательно, учитывая
изложенное, представляется возможным процесс (эволюцию) изменения дости-
жимой точности иллюстрировать на рис. 1.8.
Очевидно, что высокие требования к параметрам точности обрабатываемых
на станках изделий обусловливает необходимость постоянного увеличения точ-
ности самих металлорежущих станков. В течение многих десятилетий инжене-
рами и специалистами постоянно проводятся работы по достижению требуемых
параметров точности станков на всех этапах их жизненного цикла при проек-
тировании, производстве и промышленной эксплуатации станков.
Как следует из представленных характеров изменения уровней достижимой
точности обработки (рис. 1.8) изделий для нормальных, прецизионных, высокопрецизионных и ультрапрецизионных, видов обработки, скорость изменения точ-
ности практически одинаковая, а точность между ними отличается на порядок,
и, следовательно, точность самих металлорежущих станков должна как минимум
соответствовать этому уровню. Более очевидным и соответствующим принципам
развития техники (рис. 1.7) рассматривается изменение величины, обратной зна-
чениям достижимой точности обработки, которые приведены на рис. 1.9.
Непосредственная оценка характеристик точности станка дает возможность
проводить качественное и количественное определение влияния различных кон-
структивных, технологических и иных факторов на точность обрабатываемых
изделий и создает все необходимые предпосылки для разработки средств и ме-
тодов управления рассматриваемыми свойствами точности станка при проекти-
ровании, изготовлении и эксплуатации. Различные подходы к методам оценки
и контроля качества металлорежущих станков, разнообразие терминологических
понятий и характеристик, несоответствие предпочтительности способов оценки
станков их потребителями и изготовителями обусловлены широким спектром
представлений о выходных параметрах точности станков, которые предполага-
ются всеми одинаково понимаемыми, допускают аналогичное толкование и со-
держат одну и ту же смысловую нагрузку. Очевидно, что одни и те же выходные
параметры не могут одновременно объективно характеризовать точность и каче-
ство станка, как элемента технологической системы, так и всю технологическую
систему, выходные параметры которой формируются совокупностью всех ее эле-
ментов, каждый из которых вносит свой вклад и имеет свою собственную долю
влияния на параметры и свойства изделия достижимую точность обработки.
Поэтому необходимо также рассмотреть эволюцию методов оценки точности
металлорежущих станков, ее структуру, взаимосвязи и модели, которые объ-
ясняют закономерности формирования, достижения и обеспечения требуемой
точности, исходя из потенциала точности физических методов обработки, реа-
лизуемого металлорежущими станками и удовлетворяющих требованиям потре-
бителей станков. Для более достоверной оценки точности и качества станков
необходимо определить такие их выходные параметры, которые объективно от-
ражают свойства станка, обусловленные его функциональным назначением, и
которые могут быть рассчитаны, оценены и/или определены экспериментально.
Металлорежущий станок при анализе точности рассматривается как система
(рис. 1.10), состоящая из множества деталей и узлов, которые в соответствии с
заданными и осуществляемыми функциями делятся на две группы: неподвиж-
ные и подвижные. К ним относятся: станины, колонны, столы, салазки, карет-
ки, направляющие, шпиндельные бабки и т. п., которые сами по себе в разных
случаях могут быть как подвижными, так и неподвижными фиксированными
(например, стол может быть как подвижным (с линейным перемещением или
вращением), так и неподвижным, т. е. фиксированным, или колонна может также
быть как подвижной, так и неподвижной, и т. д.). Детали и узлы в свою очередь
характеризуется присущими им параметрами, свойствами и характеристиками:
геометрическими размерами и формой, физико-механическими характеристика-
ми их материала и теплофизическими свойствами материала и параметрами
теплообмена с окружающей средой и сопряженными элементами станка.
Неподвижные и подвижные детали и узлы станка через функциональные
связи и отношения образуют различные структуры металлорежущего станка,
которые в зависимости от способа их формирования (связей и отношений) могут
характеризовать и определять следующие 12 структуры: координатную, компо-
новочную, упругую, динамическую, тепловую, термоупругую и др.
Отношения между деталями и узлами, а также их связи определяются видом
и характером взаимодействия:жестким (неподвижным), упругим, термоупругим,
и упругопластическим.
John Loxham, основатель группы Cranfield Precision, первым ввел в оборот
понятие детерминизма в контексте точки зрения инженеров-технологов, в соот-
ветствии с которой «автоматические станки и измерительные машины совершен-
но повторяемые, как звезды и планеты». Детерминизм в этом смысле является
одним из основополагающих принципов в проектировании, обеспечении и дости-
жении точности станков. Предполагается, что нет такого понятия, как случайное
поведение и, что каждая часть машины и процесса подчиняется причинно-след-
ственным связям, которые могут быть объяснены на основании известных ин-
женерных принципов. Детерминистский способ мышления не признает понятия
«случайная ошибка». Считается, что любое поведение станка является результа-
том некоторых условий, которыми можно управлять, а перечень этих условий
достаточно мал, что позволяет им управлять.
Изменения параметров, свойств, характеристик неподвижных и подвижных
деталей и узлов, а также их функциональных связей и отношений происходит
вследствие воздействия основных видов источников их дестабилизации, таких
как силовые и температурные, которые могут быть как постоянными, так и пе-
риодическими, случайными и систематическими, внутренними и внешними.
Тогда выходные параметры, характеризующие свойства станка, будут опре-
деляться способностью системы сохранять требуемые положения, связи и от-
ношения неподвижных и подвижных деталей и узлов, обусловленные их функ-
циональными назначениями. По причине возникновения отклонений выходные
параметры можно разделить на три группы [131, 139, 140]: положения, движе-
ния, состояния.
Погрешности положения обусловлены ошибками изготовления и монтажа (а
также износом) узлов и деталей станка. К ним относятся такие погрешности, как,
например, отклонение от перпендикулярности оси шпинделя к плоскости сто-
ла, отклонение от параллельности оси шпинделя направляющим, отклонения от
параллельности/перпендикулярности направляющих и т. п. Исходя из функци-
онального назначения элементов станка, погрешности положения определяются
в виде характеристик взаимных положений в выбранной системе координат та-
ких типовых геометрических элементов, как «точка точка», «точка линия»,
«линия линия», «линия плоскость», «плоскость плоскость».
Погрешности движения обусловлены ошибками изготовления, монтажа и
управления подвижными элементами станка. К ним относятся кинематические
погрешности, погрешности функционирования, погрешности траектории движе-
ния рабочих органов, погрешность позиционирования и т. п. Следовательно, по-
грешности движения определяются как любые отклонения от заданного зако-
на изменения таких типовых геометрических элементов, как «точка», «линия»,
«плоскость», «объем», или взаимного относительного движения подвижных де-
талей и узлов станка в выбранной системе координат типовых геометрических
элементов «точка – точка», «точка – линия», «точка – плоскость» «линия – линия»,
«линия – плоскость», «плоскость – плоскость», которые обусловливают и отража-
ют требуемые функциональные законы их движения.
К погрешностям состояния относят отклонения, вызванные изменением со-
стояния узлов и деталей станка вследствие статических и динамических воз-
действий на них силовых, тепловых и других видов энергии. К ним относятся,
например, вибрации, упругие и тепловые деформации и т. п. Тогда характери-
стики положения, движения или состояния геометрических объектов деталей и
узлов металлорежущих станков могут быть описаны аналитическими зависимо-
стями (табл. 1.3), которые определяют геометрические свойства их положения в
пространстве и изменение состояния вследствие силовых и тепловых воздействий
(см. рис. 1.10).
Все это обусловливает, формирует и определяет совокупность погрешностей
(параметров точности) металлорежущего станка (см. рис. 1.10): геометрических,
кинематических, упругих, динамических, температурных погрешностей, а также
погрешностей управления (аппроксимации) и Аббе, которые (в отдельности) в достаточной степени описаны, систематизированы и представлены в отечественных
и зарубежных стандартах. Рассмотренные погрешности зависят от многих фак-
торов, поэтому они являются функциями состояний основных элементов. Под со-
стоянием в широком смысле этого слова понимается совокупность пространствен-
ных, временных и энергетических параметров, определяющих значения данной
функции. Областью состояний для одноименной погрешности является множе-
ство значений погрешности внутри рабочего объема станка.
Прогресс в обеспечении точности обработки и металлорежущих станков свя-
зан с развитием методов моделирования и ее оценки, эволюция которых приве-
дена в табл. 1.4. В частности в 1940–1960 гг. были предложены расчетно-анали-
тические и статистические методы оценки точности (Соколовский А.П.), а также
методы анализа размерных цепей (Балакшин Б.С.). В период 1960–1980 гг. появи-
лись новые подходы в объяснении и формировании параметров и характеристик
точности, их взаимосвязей и взаимовлияний на конечные выходные показате-
ли: векторный анализ объемной точности (Schultchik R.), вероятностная модель
изменения точности станка во времени (Проников А.С), метод координатных сис-
тем с деформируемыми связями (Базров Б.М).
В 1980–2000 гг. происходило дальнейшее развитие методов описания механиз-
мов формирования выходных параметров точности станка, углубление знаний
о взаимодействии, взаимосвязях и взаимозависимостях между составляющими
элементарных погрешностей: анализ составляющих погрешностей (Donaldson R.),
вариационный метод расчета поведения станков (Решетов Д.Н., Портман В.Т),
геометрическое представление однородных преобразований координатных систем
(Slocum A.), точность движений формообразования (shapegeneration) на осно-
ве однородных преобразований координатных систем (Moriwaki T, Sugimura N,
Miao Y, Inasaki I., Kishinami K., Sakamoto S., Takeuchi Y., Tanaka F.), кине-
матика твердого (rigid) тела (квазистатическая) и однородные преобразования
координатных систем (Kiridena V.S.B., Okafor A.C, Ertekin Y.M.). В 2000–2016 гг.
повышение точности станков, в дополнение к традиционным конструкторско-тех-
нологическим методам, развивается на основе применения систем коррекции и
управления с использованием функциональных возможностей систем ЧПУ на
основе уже известных методов оценки точности, а также создание различных их
модификаций: на основе теории нейронных сетей (Chen J., YangH., Lee, Mize,
Zeigert, Ramesh R.), авторегрессионного анализа (Ni J.), грей-систем (Wangetal),
статистических методов повышения геометрической точности (Knapp W.) и др.
Продолжаются работы по созданию системных представлений о точности стан-
ков и методов их оценки: объемные ошибки нетвердого (non-rigid) тела (Wang C.,
Svoboda O., Bach P., Liotto G.), объемные 3D-ошибки твердого и нетвердого (non-
rigid) тела (Mekid S., Jedrjiewski J., Kiong T.K., Wang C.), структурная точность
и точность образов, формируемых станком, на основе функций поля состояний
(Кузнецов А.П.), экспоненциальная модель интеграции геометрических ошибок
станка (Fu G., Fu J., Xu Y., Chen Z.), модель общих смещений из-за погрешностей
частей деталей станка и обрабатываемой детали в системах координат КИМ (Jie
Gu, John S. Agapiou and Sheri Kurgin).
В табл. 1.4 приведены в исторической последовательности основные принци-
пы, используемые в методах оценки показателей точности станков, а также тех-
нические и технологические события, приводящие к качественному изменению
конструктивно-компоновочных решений самих станков, повышению их точности
и функциональных возможностей, что требует соответственного изменения ме-
тодов оценки, которые должны быть адекватными уровню качества станка.
На современном этапе таким техническим событием можно считать преиму-
щества мехатронного подхода [141], что позволяет реализовать синергетический
эффект функционального интегрирования (рис. 1.11) в виде улучшения техни-
ческих и эксплуатационных параметров устройств, таких как надежность, эф-
фективность, удельное энергопотребление и т. д., а также создавать уникальные
компоненты и системы, в целом не реализуемые без использования подобных
технологий разработки и изготовления мехатронных модулей движения. Первый
качественный прорыв был сделан в информационно-управляющих компонентах
на базе 2D-микроэлектронных технологий.
До последнего времени подобные компоненты продолжают лидировать в про-
цессе интеллектуализации и практически уже не лимитируют общий прогресс ми-
ниатюризации технических систем в целом. Для упомянутого прогресса наибо-
лее важным стала микроминиатюризация сенсорных компонентов на базе ЗD-ми-
кросистемных технологий, появление микро-электромеханических систем (МЭМС)
и микро-опто-электро-механических систем (МОЭМС). Основными компонента-
ми, сдерживающими дальнейшую миниатюризацию технических систем, явля-
ются исполнительные (силовые) компоненты. Они до настоящего времени ба-
зируются в основном на технических идеях двигателей XIX века. Их будущий
прогресс связан с созданием микроминиатюрных исполнительных устройств.Ме-
хатронный подход к проектированию технических систем на основе общесистем-
ных критериев, соответствующих основным требованиям к системе, перспекти-
вен в первую очередь для технических систем, когда не предполагается расши-
рение их функционального назначения и номенклатуры. Системно-мехатронный
подход значительно сложнее модульно-мехатронного в силу большей сложно сти объекта оптимизации. Даже оставаясь нереализуемым, он служит конеч-
ной целью или пределом, к которому следует стремиться. Сложность системно-
мехатронного подхода логично объясняет тот факт, что мехатроника началась
именно с создания однофункциональных компонентов. Следовательно, особенно-
сти мехатронного подхода позволяют получать синергетический эффект функци-
онального интегрирования в виде улучшения технических и эксплуатационных
параметров устройств, таких как надежность, эффективность, удельное энерго-
потребление и т. д., а также создавать уникальные компоненты и системы, по
существу не реализуемые без подобных технологий разработки и изготовления.
Так, на рис. 1.12 приведена принципиальная структура инновационного станка
станка будущего, структура, свойства и характеристики которого определяются
системой элементов, реализующих иные физические принципы взаимодействия,
построение которых основано на одной из трех структур: трансформируемой,
реконфигурируемой или бионической. Очевидно, что процесс достижения это-
го будет поэтапным и требует соответствующих исследований и разработок на
основе указанных физических принципов.
Подводимая к станку энергия, не затрачиваемая на осуществление процесса
резания, преобразуется в тепловую и аккумулируется в узлах, деталях и ме-
ханизмах станка, а частично рассеивается в окружающую среду. Это приводит
к изменению начального теплосодержания всей конструкции металлорежущего
станка, нагреву деталей и узлов и их температурным деформациям. Причем воз-
действие тепловой энергии на каждый отдельный элемент станка различно ввиду
множества факторов, определяющих протекание тепловых и термоупругих про-
цессов. Воздействие тепловой энергии на элементы станка зависит от вида и
характера источника, условий теплообмена с окружающей средой, способа под-
вода теплоты, формы и размеров элемента, его материала, ориентации элемента
в пространстве, вида связи и взаимодействия с контактирующими с ним эле-
ментами и ряда других факторов. Степень влияния каждого фактора различна,
а необходимость его учета зависит от поставленной задачи, требуемой точности
решения, методов решения и т. п.
Последовательность формирования показателей теплового поведения как уз-
лов и деталей металлорежущих станков, так и станка в целом может быть рас-
смотрена по нижеследующей логической схеме и в последовательности: источ-
ник воздействия (постоянный, периодический) тепловой (внутренний, внеш-
ний) систематический детали и узлы (подвижные, неподвижные)
параметры, свойства, характеристики (геометрия, форма, теплофизиче-
ские) функциональные связи и отношения (положения, движения, со-
стояния, термоупругие) погрешности станка температурные.
Это, как видно из простого логического анализа взаимосвязи перечисленных
и определяющих тепловую структуру станка элементов в рассмотренной последо-
вательности, и обусловливает многообразие теплового поведения деталей и узлов
металлорежущего станка и, соответственно, существенных особенностей механиз-
ма формирования его температурных погрешностей.
Формирование теплостойкости станка можно рассматривать как про-
цесс преобразования структурой станка, поступающей к нему энергии. На рис. 1.13
приведена обобщенная схема формирования и анализа теплостойкости станка,
на которой в последовательности их рассмотрения приведены этапы преобразования энергии вплоть до оценки и определения параметров и характеристик
теплостойкости станка. Аналогичный методический и концептуальный подход и
соответствующая им схема формирования теплостойкости используются также
и при рассмотрении тепловых процессов узлов, деталей и элементов станка.
Следовательно, при рассмотрении тепловых процессов, протекающих в ме-
таллорежущих станках, могут быть выделены следующие обобщенные принци-
пиально различные классы задач:
– структурный теплофизический анализ, когда рассматриваются лишь прин-
ципиальные и наиболее существенные взаимосвязи компоновочных и кон-
структивных структур деталей и узлов станков и их наиболее общих теп-
ловых и термоупругих характеристик;
– структурный теплофизический синтез, когда формируется принципиаль-
ная конструктивно-компоновочная структура станка из совокупности типо-
вых и относительно однородных теплонагруженных деталей и узлов станка
по заданным функционально обусловленным правилам их совместимости;
– параметрический теплофизический анализ, когда рассматривается влия-
ние параметров и характеристик (теплофизических, термомеханических,
эксплуатационно технологических, конструктивно компоновочных) на
уровень нагрева и деформаций элементов теплофизической структуры стан-
ка, его деталей и узлов;
– параметрический теплофизический синтез, когда формируется и обеспе-
чивается заданный уровень теплостойкости станка.
При решении указанных задач предполагается, что исходные данные (тепло-
физические, термомеханические, геометрические) являются известными величи-
нами, значения которых получены из соответствующей нормативно-технической,
справочной или иной документации, а также являются результатом обобщения
экспериментальных данных. В некоторых случаях могут быть использованы оце-
ночные значения, которые адекватно отражают характер протекающих тепловых
процессов при вариантном теплофизическом анализе или синтезе металлорежу-
щего станка.
Рассмотрение практически любой задачи по определению теплостойкости стан-
ка, проведение его структурного и параметрического теплофизического анализа
(синтеза) требуют ясного представления об источниках тепловыделений, воздей-
ствующих на металлорежущий станок, их виде, характере действия.

1.2. Характеристика источников тепловыделений в металлорежущих станках

Источники тепловыделений в зависимости от скорости их перемещения
разделяются на неподвижные и подвижные. Критерием отнесения источника теп-
ловыделения к подвижному или неподвижному при теплофизическом анализе
может служить безразмерный критерий Пекле:
см. в книге (1.1)
где v скорость движения источника; l характерный размер источника; a
коэффициент температуропроводности.
Если Pe = 0, то источник считается неподвижным, при 0 < Pe < 10 источник
относится к подвижным, а при Pe > 10 источник является быстродвижущим-
ся, т. е. теплота не распространяется впереди источника по направлению его
движения, а только под ним и позади него. Например, если источником теплооб-
разования является перемещающаяся по направляющим шпиндельная бабка, то
по величине критерия Pe этот источник при расчетах может быть отнесен к лю-
бому из перечисленных видов, хотя в большинстве случаев его можно считать и
неподвижным. Это определяется постановкой задачи и возможностью ее решения
в этом случае, а также зависит от требуемой точности решения. При рассмотре-
нии нагрева ходового винта, когда источником теплообразования является пара
винт – гайка, исходя из значения величины критерия Pe, этот источник может
быть отнесен к подвижному или быстродвижущемуся.
При теплофизическом анализе станка реальные источники заменяются идеа-
лизированными, форма которых в той или иной степени приближается к факти-
ческой. Источники могут иметь форму пространственных тел с разными закона-
ми распределения теплоты. В зависимости от соотношения размеров источники
делятся на точечные, линейные, плоские и объемные.
Точечный источник характеризуется весьма малыми размерами по отноше-
нию к рассматриваемой области тела, в котором происходят тепловые процессы.
Например, тепловыделения в подшипнике могут рассматриваться как точечный
источник при изучении температурного поля шпиндельной бабки станины, ко-
лонны или станка в целом.
Линейный источник характеризуется значительными размерами в одном из
направлений по отношению к другим, поэтому величиной последних можно пре-
небречь, полагая их равными нулю.
Плоский источник характеризуется значительными размерами в двух направ-
лениях координат по отношению к третьему, величиной которого можно прене-
бречь, полагая его равным нулю.
Объемный источник характеризуется соизмеримыми величинами в трех на-
правлениях осей координат,т. е. источник теплоты распределен в некотором объеме.
Кроме этого, любой из упомянутых источников может быть ограниченным
или неограниченным, за исключением точечного источника. Ограниченным и
неограниченным источник может рассматриваться по одной, двум или трем коор-
динатным направлениям. Помимо этого, источники отличаются законом распре-
деления по занимаемому ими участку поверхности, а также формой поверхности,
на которой они могут быть расположены: цилиндрической, конической, плоской
и т. п.
В зависимости от месторасположения по отношению к металлорежущему стан-
ку источники теплообразования делятся на внутренние и внешние. Внутрен-
ние источники результат преобразования потерь энергии в тепловую в
элементах, узлах, механизмах и деталях станка (электрические, гидравлические
и механические потери на трение. Например, в таких элементах станка, как элек-
тродвигатели, зубчатые передачи, подшипники, муфты, ременные передачи, гид-
равлические цилиндры, дроссели и т. п.).
Тепло, порождаемое внутренними источниками, повышает температуру стан-
ка. В его структуре возникает переменное во времени и пространстве температур-
ное поле, которое изменяется до тех пор, пока не будет достигнуто установившее-
ся тепловое состояние, зависящее от количества образуемого тепла, теплоемкости
станка, условий его распространения и теплообмена. При достижении установив-
шегося состояния температурное поле становится постоянным во времени, но
переменным в пространстве.
Внешние источники обусловлены передачей энергии от окружающих ста-
нок объектов и окружающего его среды. Причем эта передача энергии осуществ-
ляется посредством теплового излучения или теплопереноса. К внешним источ-
никам относятся: колебания температуры фундамента и окружающей среды, воз-
душные потоки, системы нагрева и охлаждения, расположенные вблизи станка,
солнечные лучи, непосредственно падающие на станок, смазочно-охлаждающая
жидкость и т. п. Отрицательное влияние на точность станка оказывают даже
такие факторы, как скорость изменения температуры в помещении, степень рав-
номерности распределения температуры воздуха как в вертикальном, так и в
горизонтальном направлениях.
В течение рабочего дня стандартное промышленное здание подвергается цик-
лическим температурным колебаниям. Если смотреть более широко, здание под-
вергается годовым колебаниям средних температурных изменений. Помимо это-
го, в течение рабочей смены происходит несколько изменений эксплуатационных
характеристик станка. Все эти факторы приводят к возникновению изменяю-
щихся во времени тепловых режимов конструкций станков. В конечном счете
динамические колебания температуры приводят к возникновению зависящих от
времени тепловых погрешностей, которые с трудом поддаются описанию.
Окружающая среда производственного помещения. Промышленное здание
обычно подвергается изменениям температуры, влажности и атмосферного дав-
ления, вызываемым изменениями климатических условий. Состояние воздуха в
помещении обычно является или слоистым, или конвективным. Помимо этого,
дополнительное тепловыделение вызывается солнечным излучением и воздей-
ствием осветительного оборудования. Комбинация этих факторов приводит к
возникновению сложного теплового режима и температурным деформационным
характеристикам.
Производственный персонал. Прямой контакт между людьми и станком при-
водит к изменению тепловых характеристик станка. Более того, при работе с
высокоточным оборудованием и при проведении операций измерения тепловое
излучение от персонала становится существенным фактором ухудшения каче-
ства работы.
Тепловая память от предшествующей окружающей среды. Изменение теп-
лового режима станка происходит за определенный период времени. Очень часто
заготовки последовательно обрабатываются в нескольких цехах с различными
тепловыми режимами (в соответствии с технологическими требованиями). Из-за
этого в заготовке может образовываться повышенное тепловыделение. Данная
тепловая память может быть удалена при помощи вентилирующих установок,
масляных ванн и т. п.
В качестве иллюстрации влияния изменения температуры окружающего воз-
духа на тепловой режим станка на рис. 1.14 приведены экспериментальные ис-
следования теплового режима фрезерного станка в части влияния температуры
окружающей среды Tв на тепловые деформации колонны, шпинделя и их тем-
ператур соответственно. Причем показано влияние не только роста температуры
воздуха, но и ее резкое изменение. В работе [37] показано, что при колебании
температуры окружающей среды по синусоидальному закону избыточная темпе-
ратура Tд детали металлорежущего станка с равномерным распределением массы
изменяется также по синусоидальному закону, но с уменьшенной амплитудой в
cos раз и со сдвигом фаз :
см. в книге (1.2)
где время в часах; ! = 2 /t, t период колебания температуры в часах,
= arctg(!/m); m = F(1 + )/cG, учитывает долю тепла, передаваемую в
сопряженные детали, c удельная теплоемкость, G вес детали.
В работе [87] приведены исследования (рис. 1.15) изменения температуры
окружающего воздуха, температурных деформаций, в частности смещений оси
шпинделя (рис. 1.15, а) в направлениях OY , OZ, и распределение температур
(рис. 1.15, б) деталей станка при наблюдении за указанными параметрами в тече-
ние трех суток. Отмечается, что время запаздывания изменения температурных
деформаций по отношению к изменению температуры окружающего воздуха, на-
пример, в направлении OZ составляет около 5 часов, а в направлении OY в
пределах 4 часов. При этом градиент температур в конструкции станка состав-
ляет немногим более 1 ◦C.
Для качественной оценки и выбора степени влияния различных внутрен-
них источников тепловыделений проводились работы по определению как
значений величин тепловых потерь, так и их соотношений для различных метал-
лорежущих станков. Например, в работе [127] для токарного станка модели SN380
(рис. 1.16) дается взаимное соотношение тепловых потерь в теплонагруженных
деталях, узлах и механизмах, что позволило проводить моделирование методом
конечных элементов тепловых деформаций и температур новых проектируемых
токарных станков, обеспечивая тем самым эквивалентность соотношений тепло-
вых потерь по величине, их взаимному положению и соотношению между ними.
В работе [125] приведены виды потерь (рис. 1.17, а) подводимой к станку мощ-
ности, их абсолютная величина и долевые соотношения при резании (для кон-
кретной реализации процесса резания с заданными скоростью резания, глубиной
и подачей). Указывается, что только 67,4% подводимой мощности расходуется на
процесс резания, из которой 56,8% энергии аккумулируется в стружке и затра-
чивается на процесс резания. Следовательно, потери в станке составляют более
30% подводимой энергии.
Более детальное исследование потерь [120] подводимой к станку энергии в по-
движных и вращающихся деталях и узлах металлорежущего станка (рис. 1.17, б)
при его работе на холостом ходу и при частоте вращения шпинделя равной
1800 мин−1. Отмечается, что более 30% подводимой энергии превращается в теп-
ловую в подвижных и вращающихся деталях и узлах привода вращения шпинде-
ля (без учета потерь в механизмах приводов линейных перемещений), из которых
в шпинделе преобразуется в тепловую энергию до 50% всех потерь привода вра-
щения, что очевидно составляет порядка 15% подводимой к станку мощности.
Таким образом, разными исследователями и в разное время испытаний полу-
чены практически сопоставимые результаты потерь энергии в деталях, узлах и
механизмах металлорежущих станков.
В процессе структурного анализа осуществляется создание и систематизация
энергопреобразующей систем станка (см. рис. 1.18) и производится численный анализ ее энергетических составляющих. Сначала в соответствии с принципом
экопроектирования (см. стандарт ISO 14955-1) дается функциональное описание
станка (без учета процессов обработки).
Это позволяет разделить энергопреобразование как по функциям, так и по
энергопреобразующим узлам и механизмам станка. Далее составляется система
энергопреобразований в станке, например, как это приведено на рис. 1.14 для
фрезерного станка с ЧПУ [142]. На рис. 1.19 приведена структура энергопотреб-
ления [142] различных функциональных узлов фрезерного станка с ЧПУ. Так,
энергия процесса резания (пластического деформирования) составляет в данном
случае только 14% от подводимой к станку энергии, а узел сервопривода (часть
энергии формообразования) потребляет 40%.
Кроме перечисленных внешних и внутренних источников тепловыделений
существует еще один вид источника сам процесс резания, при котором
механическая энергия также преобразуется в тепловую и которая передается об-
рабатываемой заготовке, инструменту и стружке, а также частично уносится с
охлаждающей жидкостью. В табл. 1.5 приведены данные удельной энергоемко-
сти различных видов обработки [129] на металлорежущих станках, которые и
определяют параметры энергии резания для различной производительности скорости съема материала. Образующееся тепло может сообщаться элементам
станка, находящимся с ними в непосредственном контакте, что дестабилизирует
тепловой режим станка.
Одним из показателей эффективного осуществления процесса обработки яв-
ляется удельная работа резания, т. е. отношение работы резания к объему среза-
емого металла. Удельная работа резания зависит (табл. 1.6), как показано в [53],
от режимов резания, скорости резания, площади сечения срезаемого материала,
геометрии инструмента и поэтому изменяется в широких пределах для каждого
способа обработки и внутри одноименного способа.
В работе [118] отмечается следующее соотношение распределения энергии при
резании:
– 7% м тепло, поступающее в деталь;
– 18% тепло, поступающее в инструмент;
– 75% тепло, уносимое стружкой и охлаждающей жидкостью.
Для станков типа HSM (High Speed Mashine), предназначенных для высоко-
скоростной обработки, когда до 80% выделяемой при резании энергии обуслов-
лено механической деформацией стружки, соотношение распределения энергии
при резании имеет следующий вид:
– 3%–5% м тепло, поступающее в деталь;
– 17%–20% тепло, поступающее в инструмент;
– 75%–80% тепло, уносимое стружкой и охлаждающей жидкостью.
Следовательно, потери энергии при резании в основном выводятся из процес-
са теплообмена с узлами и деталями металлорежущего станка. Однако в некото-
рых случаях, когда требования к точности обработки достаточно высокие, тепло
из зоны резания, передаваемое излучением, передаваемое стружкой, которая не
может быть удалена мгновенно, приводит к нагреву деталей станка, находящихся
в непосредственной близости. Это приводит к нагреву, уровень которого может
быть значим для появления температурных деформаций, обусловленных этим
фактором.
По времени действия в период работы станка источники тепловыделений
можно разделить на источники постоянного и периодического действия. Сам
процесс резания и некоторые внешние источники (например, солнечный луч,
падающий на станок) являются источниками периодического действия. Темпе-
ратура окружающей среды (как характеристика теплового уровня окружающей
среды), если не принимать специальных мер, может быть источником постоянно-
го действия. При включении станка в период его непрерывной работы такие его
элементы, как электродвигатели, зубчатые и ременные передачи, подшипники
вращающихся и движущихся деталей и др., являются источниками постоянного
действия. При отключении станка источники постоянного действия прекращают
выделять тепло, а источники периодического действия продолжают воздейство-
вать на всю структуру станка.
В теплофизических расчетах время функционирования источника описывают
безразмерным критерием Фурье Fo = a • t/L2. По времени функционирования
источники можно разделить на:
1) мгновенные (Fo → 0);
2) действующие в течение конечного промежутка времени;
3) действующие периодически;
4) действующие столь длительное время, что процесс теплообмена можно счи-
тать стационарным. Предельные значения критерия Fo, соответствующие пе-
реходу от нестационарного к стационарному теплообмену, зависят от кон-
кретной теплофизической обстановки в зоне обработки. Мгновенных источ-
ников на практике не существует, но в некоторых технологических процессах
тепловыделение происходит столь кратковременно, что длительностью этого
импульса можно пренебречь. Мгновенный источник используется как неко-
торая абстракция, позволяющая конструировать математические выражения
для описания в сложных случаях.
Все описанные источники (рис. 1.20) могут иметь случайную или неслучайную
природу, в смысле их количественной оценки, а некоторые внешние источники
проявляют только случайные воздействия.
Воздействие совокупности источников тепловыделений вызывает и обуслов-
ливает тепловую неустойчивость всей теплофизической структуры станка. Ве-
личина теплостойкости станка зависит и определяется параметрами, формиру-
ющими тепловой режим станка и обусловливается свойствами его термоупругой
структуры. К таким параметрам относятся: конструктивно-компоновочные, фи-
зико-механические, теплофизические, эксплуатационно-технологические.