14.577.21.0170

Повышение энергоэффективности производства станкостроительной отрасли Российской Федерации на основе разработки новых конструкций и технологий полного цикла изготовления металлобетонных базовых элементов.
Задачи
1. Обоснование выбора методов и средств изучения структуры, состава и свойств бетонов;
2. Разработка программы и методик и проведение исследовательских испытаний действующих образцов расточного и токарного станков с металлобетонными базовыми элементами, находящихся в эксплуатации.
3. Разработка составов бетонов для изготовления экспериментальных образов станины и шпиндельной бабки из металлобетона
4. Разработка эскизной конструкторской документации на изготовление экспериментальных образцов шпиндельной бабки и станины из металлобетона.

Для занятия освободившейся, благодаря политике импортозамещения, ниши и выхода на мировые рынки отечественному станкостроению необходимо стремиться к:
1. Повышению скорости, точности и чистоты обработки деталей на станках и достижению многофункциональности оборудования на уровне зарубежных аналогов и выше.
2. Максимально возможному удешевлению оборудования при сохранении его качественных характеристик, высокой скорости обработки деталей и технологической простоты организации промышленного производства.
Несмотря на кажущуюся несовместимость названных тенденций, они могут быть успешно совмещены и реализованы при использовании новых современных направлений развития станкостроения, применении новых материалов (особенно неметаллических), новых конструктивных и технологических решений станков в целом, их исполнительных узлов и конструктивных базовых элементов.
Применение неметаллических композитных материалов позволит устранить целый ряд недостатков конструкции, как за счет конструктивного исполнения деталей, так и за счет уменьшенного логарифмического декремента колебаний материала.
В ходе исследования был применён запатентованный метод определения жесткости. Разработаны оптимальные составы бетонов для базовых элементов металлбетонных металлорежущих станков.

Паспортной характеристикой технологической системы (ТС), отвечающий за способность минимизировать влияние вибраций, возникающих в процессе статической или динамической составляющей процесса резания является жесткость элементов/узлов станка. Фактическое уточнение данной характеристики на основе серии экспериментов позволяет производить своевременную регулировку ТС.

Была произведена оценка жесткости ТС с применением аппаратного комплекса ZET 017-U8 компании Zetlab. В качестве образца испытаний выступала технологическая система - элементы/узлы станка.

Цель - определение возникающих вибраций в ТС на основе количественной оценки амплитудно-частотных характеристик ТС в зависимости от условий их возникновения.

При испытаниях токарного станка измерения производились на следующих элементах ТС: станина, передняя бабка, основной шпиндель, контршпиндель (фрезерный шпиндель), задняя бабка, инструментальный магазин, для этого на данных элементах устанавливались акселерометры (одно- и трехкомпонентные). Фиксация измерений производилась в результате импульсной нагрузки ТС (статической или динамической). В зависимости от условий определения амплитудно-частотных характеристик, измерения на основе комплекса ZET 017-U8 производились  в условиях статической или динамической нагрузки технологической системы. В первом случае производилась импульсная нагрузка узлов станка ударным молотом AU02  без включения элементов/узлов станка. Измерение производились в течение серий 5-15 импульсных нагрузок. В результате измерения сформировался массив данных. Во втором случае (динамические испытания) - импульсная нагрузка узлов станка производилась при включенных элементах/узлах станка, как дополнительных источников возбуждения собственных колебаний.

Полученные в результате испытаний массивы данных обрабатывались в программном обеспечении  с целью определения следующих параметров: динамического диапазона сигнала (синусоидальная и случайная вибрация) и добротности резонанса.

Дополнительно производился расчет амплитудно-частотных характеристик по методике Кудинова В.А. Методика позволяет на основе экспериментальных характеристик рассчитать значения постоянных, характеризующих жесткость технологической системы.

Одной из основных механических характеристик бетона является так называемая призматическая прочность, которая служит для расчета на изгиб и сжатие бетонных и железобетонных конструкций. В трещиностойкости конструкции большую роль играет деформативность бетона, то есть свойство бетона следовать за деформациями, например арматуры. 

Для определения по методике Научно-исследовательского института бетона и железобетона призменной прочности бетона, условного модуля упругости материала, его деформативности, прочности бетона на растяжение при изгибе в процессе статического нагружения  использовали стандартные призмы в соответствии с ГОСТ 10180 - 2012 «Бетоны. Методы определения прочности по контрольным образцам» размером 100х100х400 мм.

При испытании призм использовался набор специальных фиксирующих рамок - держателей, служащих  для крепления и установки  в заданном положении измерительных приборов.

Совместно с призмами изготавливались контрольные кубики размером 100х100х100 мм, при испытании серии которых в прессовой установке, соответствующей требованиям международной стандартизации (ГОСТ 28840-90 «Машины для испытания материалов на растяжение, сжатие и изгиб. Общие технические требования») на осевое сжатие до разрушения определялись прочностные характеристики бетона по состоянию на момент испытания.

1. Разработаны программы и методики исследовательских испытаний, действующих образцов токарного и расточного станков с металлобетонными базовыми элементами, находящиеся в эксплуатации.

2. Проведены исследовательские испытания действующих образцов токарного и расточного станков с металлобетонными базовыми элементами, находящиеся в эксплуатации.

3. Проведен анализ результатов исследований и на их основе разработана оптимальная конструкция для изготовления станины и шпиндельной бабки из металлбетона.

4.Разработан состав бетона для изготовления экспериментального образца шпиндельной бабки и станины из металлобетона, со следующими характеристиками:

4.1. естественное отверждение бетонной смеси при температуре 15…25 °С и относительной влажности воздуха 60…80%;

4.2. достижение прочности бетона в состоянии отверждения – 55…80 МПа;

4.3 трудоемкость изготовления одной тонны металлобетона –  25…35 норомочасов;

5. Оформлена эскизная конструкторская документация оптимизированной конструкции базовых элементов станка при совместном применение металлбетонных материалов и узлов, изготовленных по традиционным технологиям (шпиндельный узел, направляющие, привода главного и вспомогательного движения, револьверная головка).

6. Был проведен анализ зарубежной литературы,  который показал, что самыми распространенными композитными материалами являются эпоксидный гранит, полимерный бетон и стекловолокно. Однако есть ряд негативных эффектов, например, при применении стекловолокна необходимо подобрать оптимальное число слоев композита, потому что после оптимального слоя амплитуда колебаний резко возрастает. И требуется регулярный контроль фиксации слоев композита друг к другу и к структурным частям станкам, так как есть риск возникновения дополнительных колебаний между пластинами.

Следовательно, можно сделать вывод, что наиболее предпочтительным материалом является цементный бетон, так как обладает положительными качествами композитных материалов и имеет лучшие экономические и экологические показатели по сравнению с полимерным бетоном и эпоксидным гранитом

7. Проведенные патентные исследования показали, что зарубежные производители ведут разработки в области поиска оптимальной конструкции станины станка из неметаллических материалов, а так же экспериментируют с различными составами материалов.

Результаты, полученные в ходе исследования, способствую дальнейшему развитию применения металлбетонных конструкций в станкостроении и решают ряд проблем, а именно уменьшению номенклатуры каркасов – разработка оптимальной конструкции, что способствовало унификации станин. Разработанный оптимальный состав бетона позволил уменьшить величину усадки бетона и увеличить его прочность.