CC BY
16ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ ^Vl
УДК 621.9.06
РАСЧЕТНОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ НЕСУЩИХ КОНСТРУКЦИЙ ТЯЖЕЛЫХ МНОГОЦЕЛЕВЫХ СТАНКОВ
В.Г. АТАПИН, доктор техн. наук, профессор, (НГТУ, г. Новосибирск)
Статья поступила 10 июня 2011 года
630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20, Новосибирский государственный технический университет, e-mail: obrmet@ngs.ru
Рассматриваются основные аспекты расчетного проектирования несущих конструкций тяжелых многоцелевых станков с учётом информации о требуемой точности и производительности механической обработки. Приводятся расчеты несущей системы станка и отдельных несущих конструкций с целью получения их оптимальных моделей.
Ключевые слова: расчетное проектирование, многоцелевой станок, несущие конструкции, метод конечных элементов, методы оптимизации.
Введение
Современный металлорежущий станок, как объект проектирования, является относительно большой и сложной системой с развитой иерархической структурой. Работоспособность такой системы обеспечивают несколько подсистем, таких как главный привод, привод подач и позиционирования и др. Несущую систему станка можно рассматривать как подсистему, обеспечивающую физическое объединение других подсистем, а также составляющую основу для их функционирования. Несущая система состоит из последовательного набора соединенных между собой несущих конструкций, которые могут рассматриваться как подсистемы несущей системы станка и т. д.
Сложность современных металлорежущих станков и требование высокого уровня их потребительских свойств (точности, производительности, надёжности и др.) делают необходимой разработку научно обоснованной технологии проектирования несущих конструкций (базовых деталей) станков. На смену техническому расчёту на основе расчётных моделей сопротивления материалов [1] пришли методы, сочетающие интегрированную работу метода конечных элементов (МКЭ) и методов оптимизации [2-5] с широким привлечением ЭВМ.
Технология проектирования конструкций
Как известно, несущие конструкции составляют 75... 80 % от массы станка, поэтому технико-экономические показатели станка в большой мере определяются качеством их проектирования. Конфигурация несущих конструкций выявляется в
процессе разработки общей компоновки станка. В дальнейшем их проектирование связано с поиском компромиссного решения между противоречивыми требованиями: создание конструкций жёстких, но имеющих малую массу; простых по конфигурации, но обеспечивающих высокую точность; дающих экономию металла, но учитывающих возможности литейной технологии при проектировании литых конструкций и возможности технологии сварных конструкций.
Сформулируем следующую задачу проектирования. Пусть заданы компоновка многоцелевого станка (МС), ограничения внешних размеров несущей системы станка, внешняя нагрузка и условия опирания. Требуется найти распределение материала по несущим конструкциям, удовлетворяющее условиям прочностной надёжности и минимально возможной массе, а несущая система, состоящая из этих конструкций, должна обеспечить заданные нормы точности и производительности механической обработки.
Для решения поставленной задачи рассмотрим технологию проектирования несущих конструкций на примере МС для обработки корпусных деталей массой до 200 т (рис. 1).
Этап I (рис. 2, блок 1). Определяют внешние нагрузки с использованием как детерминированных, так и вероятностных методов. Внешние нагрузки представляют собой статические и динамические воздействия на несущую систему со стороны окружающей среды. Так, основной внешней нагрузкой на несущую систему станка служат силы резания. Внешней нагрузкой для несущей системы стола является вес обрабатываемой детали.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ
Рис. 2. Блок-схема проектирования несущих конструкций МС
Решается задача о предварительном распределении материала по несущим конструкциям как задача математического программирования:
минимизировать f (X) = £ р^-
i=1
при ограничениях:
на прочность (черновая обработка)
gl(X) = 1 - °экв / М > О,
(1)
(2)
на жёсткость (чистовая обработка) g2(X) = 1 - А / [А] > О,
переменные проектирования
g3(X) = V > 0, i = 1,2,..., n,
(3)
(4)
Рис. 1. Тяжелый многоцелевой станок свер-лильно-фрезерно-расточной группы с поворотно-подвижным столом для обработки корпусных деталей массой до 200 т
Этап II (рис. 2, блоки 2-4). Расчет несущей системы с упрощенными по геометрии несущими конструкциями. Несущие конструкции станка моделируются пространственными структурами с упрощенной геометрией поперечного сечения (стержень, коробчатый профиль, пластина и т.д.).
где р — плотность материала; V — объём материала конструкции; оэкв, [о] — эквивалентное и допускаемое напряжения; А, [А] — расчётные и допускаемые перемещения инструмента в зоне резания (нормы точности на механическую обработку).
За целевую функцию (1) принимается масса кон -струкции, так как рассматривается проектирование тяжёлых станков массой 300...400 т. Производительность обработки учитывается через силы резания, которые являются внешней нагрузкой для несущей системы. Переменными проектирования служат геометрические размеры поперечного сечения конструкции, например, толщина стенки. Расчёт проводится с учетом контактных и собственных деформаций в несущей системе.
Задача (1)-(4) решается методом штрафных функций в форме
фX, г) = f (X) + г £ [1/gj (X)]
j =1
с использованием метода Давидона-Флетчера-Пауэлла для решения задачи безусловной оптимизации [6].
В результате решения задачи устанавливается полный набор граничных условий (силовых, кинематических) для отдельной несущей конструкции. Это позволяет в отличие от классического метода проектирования далее рассматривать несущие кон -струкции независимо друг от друга. Вследствие трёхмерного характера действующих нагрузок и большой степени статической неопределимости системы невозможно найти указанные граничные условия иным путем.
Этап III (рис. 2, блоки 5-8). Рассматривается расчёт для каждой несущей конструкции. Решается задача об окончательном распределении материала по отдельным несущим конструкциям при удовлетворении граничных условий, полученных на предыдущем этапе. С этой целью проводится декомпозиция несущей системы станка (рис. 3) на конструктивно независимые подконструкции (несущие конструкции), взаимодействие между которыми локализовано и легко определимо:
• нулевому уровню (0) подконструкции соответствует элементарный конечный элемент, из которого собираются типовые структуры уровня I (макроэлементы);
ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ
• из макроэлементов формируются укрупненные подконструкции (1-6) уровня II, имеющие законченные конструктивные формы (стойка, шпиндельная бабка и т. д.);
• из подконструкций уровня II формируется уровень III сборки, представляющий собой несущую систему станка.
Рис. 3. Компоновка тяжёлого многоцелевого станка и уровни декомпозиции:
1 - стойка; 2 - шпиндельная бабка; 3 - станина;
4 - обрабатываемая деталь; 5 - паллета; 6 - сани стола;
7 - станина стола; 8 - фундамент
В соответствии с блоками 5-8 (рис. 2) рассматривается проектирование отдельной несущей конструкции. С учётом конструктивных и технологических требований разрабатывается компоновка конструкции с реальной геометрией поперечного сечения. Ограничения задачи проектирования формулируются на основе анализа возможных видов нарушения эксплуатационных качеств отдельной несущей кон -струкции (рис. 2, блок 6) - нарушение условий прочности, жёсткости, потеря устойчивости и др.
В результате решения задачи на этапе III формируется конструкция с реальной геометрией поперечного сечения и минимально возможной массой при удовлетворении требуемых норм производительности и точности механической обработки для несущей системы (этап II).
Этап IV (рис. 2, блок 9). Проводится динамический анализ или имитационное моделирование для типовых условий эксплуатации несущей системы с оптимальными несущими конструкциями.
Таким образом, используя набор уровней проектирования, мы на каждом уровне имеем дело с задачей гораздо меньшей размерности. При расчёте сложной конструкции увеличение числа уровней декомпозиции, как известно, в целом более экономично, чем непосредственное решение сложных алгебраических систем.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ Реализация технологии проектирования
Основные положения технологии проектирования несущих конструкций рассмотрим на примере МС (см. рис. 1). Масса серийного станка равна 380 т, длина, ширина, высота соответственно 21,9^16,5x10,9 (м). Структурно МС имеет две несвязанные между собой части - собственно станок (рис. 3, поз. 1-3) и поворотно-подвижный стол (рис. 3, поз. 5-7), объединяемые фундаментом (рис. 3, поз. 8). Это позволяет проводить расчеты отдельно для стола и собственно станка.
Расчётные условия. Расчётные условия для несущих систем станков выбираются на основе анализа опыта эксплуатации на станках, близких по компоновке. При этом выявляются операции, в которых точность и производительность близки к предельным значениям. Для сверлильно-фрезерно-расточных станков такой операцией является торцовое фрезерование. Доля операции сверления на тяжёлых горизонтально-расточных станках составляет в общем объёме работ 6,6.9 %, зенкерование и развёртывание выполняются ещё реже, тогда как фрезерование составляет 46.52 % от общего объёма работ [7].
Здесь приняты следующие расчетные условия: торцовое фрезерование; наибольшее усилие подачи 40 кН (черновая обработка) и 3 кН (чистовая обработка); соотношение составляющих силы резания Рх:Ру:Рг = 0,5:1,0:0,7; учитываются отклонения от плоскостности и прямолинейности обрабатываемой поверхности (по ГОСТ 24643-81, 6 квалитет). Внешней нагрузкой для несущей системы фрезерно-расточного станка (рис. 3, поз. 1-3) являются составляющие силы резания, приложенные к концу шпинделя. Внешней нагрузкой для стола (рис. 3, поз. 5-7) является вес обрабатываемой детали 2 МН. Размеры рабочего пространства станка, определяемые техническим заданием, в процессе расчётного проектирования не изменяются.
Типовые условия эксплуатации: чистовая обработка, фреза диаметром 250 мм, число зубьев 20, глубина резания 0,5 мм, частота вращения шпинделя 170 мин 1 (максимальная - 500 мин х).
А. Моделирование несущей системы. Приведём основные результаты расчёта несущей системы (НС) фрезерно-расточного станка (рис. 4, а). Рассматривается неблагоприятная ситуация:
• шпиндельная бабка находится в крайнем верхнем положении при среднем положении стойки на станине;
• вылеты шпинделя (< 0,4 м) и ползуна (< 0,6 м) соответствуют предельным значениям, характерным для чистовой обработки.
СМ ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТА!
Рис. 4. Исходное (а) и деформированное (б) состояния НС станка
Конечно-элементная модель несущей системы станка (рис. 4, а) содержит пластинчатые конечные элементы для моделирования стойки, корпуса шпиндельной бабки и станины; шпиндель моделируется стержневым конечным элементом. Перемещения в зоне обработки складываются из перемещений в соединениях (используется стержневая модель шероховатости поверхности) и собственных упругих перемещений несущей системы. Расчёт ведется на основе модели (1)-(4). Эффективным считается вариант несущей системы с наименьшей массой и перемещениями в зоне обработки, не превышающими допускаемых.
Для решения задач с интегрированной работой МКЭ и методов оптимизации использовалось авторское программное обеспечение [8]. Часть результатов (после 2007 года) получена с использованием системы проектирования (создание геометрических
моделей) и программного комплекса А№У8 (конечно-элементный анализ модели). Так, при оценке контактных деформаций геометрическая модель конструкции создавалась в системе проектирования SolidWorks, а конечно-элементный анализ модели проводился средствами комплекса ANSYS при использовании модели соединения Frictionless ANSYS (рис. 5, 6). Данная модель дает практически такой же результат, как и стержневая модель шероховатости поверхности [9].
В табл. 1 приведены основные результаты расчётов НС станка в зависимости от условий эксплуатации. На рис. 4, б показано деформированное состояние НС станка. Вариант НС станка, полученный в результате
Рис. 5. Моделирование стыков на стойке (шпиндельная бабка здесь прозрачна)
Рис. 6. Моделирование и результаты расчета подвижного стыка «стойка - шпиндельная бабка» в ANSYS
интегрированной работы МКЭ и методов оптимизации, имеет меньшую массу по сравнению с серийным вариантом и его согласно принятой системе предпочтений следует признать лучшим. Вариант НС станка, полученный только с использованием МКЭ на основе просчёта нескольких возможных вариантов, имеет увеличенную массу НС.
Таблица 1 Результаты расчёта НС станка
Результаты моделирования НС станка
Параметр для условий эксплуатации
предельных типовых
Вариант НС Серийный Оптимальный МКЭ без оптимизации Оптимальный
Размеры
сечения, м:
стойки 2,0x2,46 1,8x2,6 2,0x2,46 1,8x2,6
шпиндель-
ной бабки 1,3x2,20 1,7x2,0 1,6x2,00 1,7x2,0
ползуна 0,6x0,80 0,8x0,8 0,6x0,8 0,8x0,8
Перемещения
в зоне резания
(расчёт/норма)
по оси х 0,52 0,67 0,76 0,68
по оси у 0,99 0,99 0,99 0,99
по оси г 0,51 0,54 0,42 0,61
Масса, т 169,9 158,2 202,8 102,2
Результаты исследования также показывают, что если при проектировании станка ориентироваться на типовые условия эксплуатации, то выигрыш по массе для оптимальной НС составляет около 35 %. Активным ограничением является перемещение конца шпинделя по оси у (действует максимальная составляющая силы резания).
Б. Моделирование отдельной несущей конструкции. В составе тяжелых многоцелевых станков для ориентирования детали в рабочей зоне применяются поворотно-подвижные столы, включающие паллету, сани стола и станину (рис. 3). Станина и сани стола испытывают главным образом де-
ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ
формацию сжатия под действием внешней нагрузки. Высота станины и саней назначается минимально возможной по конструкторским и технологическим соображениям. Паллета испытывает в большей степени деформацию изгиба. Вследствие этого далее рассматривается расчёт паллеты, как наиболее деформируемого элемента несущей системы стола.
В расчетной практике наибольшее распространение получили детерминированные математические модели. Однако изменение в пространстве положения любой точки обрабатываемой детали, установленной на столе, зависит от ряда факторов, в частности от положения центра тяжести детали относительно оси поворота стола. Из-за возможных эксплуатационных ошибок (например, неправильная установка детали на столе, нарушение правил эксплуатации) несовпадение центра тяжести детали с осью поворота стола носит статистический характер. Получаемый при этом эксцентриситет е может рассматриваться как нормально распределенная величина с математическим ожиданием т = 0.
Полагаем, что обрабатываемая деталь установлена на технологических базах, совпадающих с угловыми зонами паллеты, а нагрузка ¥ от веса детали в предельном случае характеризуется силами ¥. (/ = 1,...,4), приложенными в угловых точках паллеты (рис. 7).
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Вероятностная модель. Координаты (х, у) точки А (рис. 7) фактического приложения результирующей нагрузки от веса детали образуют систему двух случайных величин, для которых плотность нормального распределения выражается формулой [10]
/ (у) =
1
2похоу
л/Т—
гх ехр < —
Т
2(1 - г2)
(х - Шх )2 2г(х - Шх )(у - ту) (у - ту)
о х о у
>. (5)
Для прямоугольной области характерно эллиптическое распределение эксцентриситета, т. е. образуется эллипс рассеивания, имеющий большую а и малую Ь полуоси. Полагая, что полуоси эллипса совпадают с координатными осями, начало координат С - с центром рассеивания, а случайные величины х, у независимы, формула (5) принимает следующий вид:
/ (х, у) =
1
2похоу
ехр
х
у
2ох 2о,
Полный эллипс рассеивания определяется уравнением [10]
х
у
(4Ех )2 (4Еу )2
= 1,
(6)
где Ех ~ 0,675ох, Еу ~ 0,675оу - главные вероятные отклонения. Для величин, нормально распределенных в интервале [-а;а] и [-Ь;Ь], имеем а/ах ~ 3, Ь/ау ~ 3. Тогда с учетом а = Ь/20, Ь = В/30 уравнение (6) запишется в следующем виде:
х
у
0,0021? 0,000952
= 1
(7)
Рис. 7. Паллета и расчетная схема ее поверхности
Распределение нагрузки от веса детали в угловых точках паллеты получим на основе методов сопротивления материалов:
= (1/4)^ [1± х/(£ /2)± у/(5/2)].
Принимаем, что центр тяжести детали смещен в плоскости ху (рис. 7, точка А) относительно оси поворота стола на 1/20 длины и 1/30 ширины паллеты. Это - наибольшее значение эксцентриситета, установленное на основе анализа конфигураций встречающихся на практике крупногабаритных деталей.
Детерминированная модель [11]. Принимая Ь = = 5,6 м, В = 3,6 м, ¥ = 2 МН, получаем координаты точки А приложения результирующей нагрузки х = Ь/20 = = 0,28 м, у = В/30 = 0,12 м и эксцентриситет е = 0,305 м.
Для определения координат точки А сформулируем следующую задачу оптимизации:
максимизировать ¥.
(8)
х
при ограничении
у
0,0021т 0,00095
= 1
Решая задачу (8) методом множителей Лагранжа [6] для принятых ранее размеров Ь и В, получим следующие результаты:
х = 0,21 м, у = 0,06 м, е = 0,218 м.
Задача проектирования. Типовая конструкция паллеты (рис. 7) представляет собой пространственную тонкостенную конструкцию прямоугольной формы ячеистой структуры. По нижнему контуру паллеты расположены продольные и поперечные ребра прямоугольного поперечного сечения. Корпус палле-
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ты опирается на направляющие саней стола кольцевого поперечного сечения (внешний диаметр 3,6 м). При составлении расчетной схемы корпус паллеты моделируется пластинчатым прямоугольным и стержневым (ребра) конечными элементами. Принимаем, что паллета опирается на абсолютно жесткие круговые направляющие саней стола. Внешней нагрузкой являются собственный вес паллеты (368 кН для типовой конструкции) и обрабатываемой детали (2000 кН). Силы резания ввиду их малости по сравнению с указанной нагрузкой не учитываются. Так, например, при чистовом торцовом фрезеровании наибольшая компонента силы резания составляет ¥ = 3,0 кН.
Задача проектирования паллеты формулируется как задача математического программирования в виде
( к т
минимизировать фо = р
XV + X Vj
i=i
j=i
(9)
при ограничениях на перемещения фх = 1 - 5/[5] > 0, на напряжения ф2 = 1 - оэкв/[о] > 0, на переменные проектирования ф3 = V > 0, г = 1,...,к,
ф4 = V > 0, ] = 1,...,т, где к, т — число пластинчатых и стержневых конечных элементов; р — плотность материала; V - объем конечного элемента; 5, [5] — расчетная и допускаемая относительная деформация, определяемая в направлении, перпендикулярном плоскости паллеты; оэкв, [о] = 100 МПа — эквивалентное и допускаемое напряжения.
Переменными проектирования являются толщина стенки корпуса и толщина ^ ребра (при постоянной ширине). Габаритные размеры паллеты (длина, ширина, высота) определяются техническим заданием.
При расчете по вероятностной модели нагруже-ния паллеты рассматриваются два случая:
1) на значения , tр накладывается только требование неотрицательности, т. е. tc= ^ > 0;
2) на значения tc , tр накладывается ограничение по литейным условиям согласно формуле
tmin = 10V(2L + B + H )/3,
мм,
где L, B, H - габаритные размеры конструкции, м. В нашем случае: t = t = t . = 23 мм.
J c р min
ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ
Основным критерием, характеризующим жесткость паллеты, является угол наклона поверхности паллеты, непосредственно влияющий на работоспособность гидростатических направляющих. На основе этого критерия при расчете паллеты введена норма жесткости [5] — относительная вертикальная деформация поверхности паллеты, равная 2x10 5 (при ширине направляющих 1 м, толщине масляного слоя 4x10 5 м).
За целевую функцию (9) здесь принята масса конструкции, так как, во-первых, рассматривается расчет конструкций массой несколько десятков тонн, во-вторых, на такие критерии, как жесткость (перемещения), прочность (напряжения) и другие можно назначить допускаемые значения.
Задача (9) решается методом штрафных функций [6] в форме
Ф = Фо /ФН X(1/Фi),
i=i
(10)
где
начальная масса типовои конструкции пал-
леты до оптимизации; г - малый положительный параметр. Решение задачи получено безусловной минимизацией функции (10) для убывающей последовательности значений параметра г методом Дави-дона-Флетчера-Пауэлла [6].
Основные результаты расчета паллеты представлены в табл. 2. На рис. 8 показано деформированное состояние паллеты.
Полученные результаты показывают, что при действии на конструкцию неравномерно распределенной нагрузки расчет по вероятностной модели позволяет в сравнении с детерминированной моделью
Рис. 8. Деформированное состояние паллеты
Таблица 2
Результаты оптимизации паллеты
Модель паллеты Толщина, мм Невязка Масса, т
верхней плиты боковой стенки внутренней стенки ребра по критерию жесткости, %
Серийная 60,0 60,0 50,0 60,0 40,0 36,80
Детерминированная 29,0 36,3 36,3 69,5 0,65 24,59
Вероятностная: t > 0 8,6 17,2 17,2 63,4 0,54 14,22
t > 23 мм 23,1 23,2 23,2 38,9 27,0 15,80
ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ
дополнительно уменьшить массу конструкции при сохранении ее работоспособности. При проведении вероятностных расчетов конструкции необходимо учитывать в ограничениях задачи проектирования технологические требования, в частности литейные условия, определяющие минимальную толщину стенки. Появляющиеся при этом резервы по жесткости конструкции (27 %) указывают на поиск дополнительных конструкторских решений по улучшению ее компоновки.
В. Динамика. Динамический анализ системы проводится в два этапа:
• определяется спектр собственных частот и форм колебаний;
• исследуются вынужденные установившиеся ко -лебания несущей системы под действием гармонических нагрузок, возникающих при чистовом фрезеровании в типовых условиях эксплуатации.
На систему с частотой вращения ю шпинделя действует сила резания F(t) = F sin ю t, а также импульсное возмущение с частотой Юф = юг/2л (z — число зубьев фрезы), связанное с входом и выходом зубьев фрезы в зоне резания. На столе находится обрабатываемая деталь массой 200 т.
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
щии за соединение стоики со станинои, которая моделируется стержнями 15-16,...,21-23. Стол моделируется сосредоточенной массоИ 31, станина -стержнями 24-26,., 29-30, соединение стола со станиной — стыком 30-31.
В расчётах приведенная жёсткость несущих конструкций для динамической модели определяется из условия равенства максимальных перемещений данной конструкции, рассматриваемой как тонкостенная пространственная конструкция и как стержень сплошного поперечного сечения.
Сравнительные динамические расчеты (табл. 3) показали, что качество несущей системы с оптимальными конструкциями в основном выше, чем у серийного варианта (выделены две формы колебаний, наиболее близкие к резонансной). Снижена податливость по оси у на 30 % и масса станка на 14,5 %. Если учесть, что при проектировании станка перемещение в зоне резания по оси у является лимитирующим (табл. 1), а перемещения по другим осям меньше допускаемых, то данный вариант несущей системы является достаточно хорошим для принятой системы предпочтений. На динамику стола существенное влияние оказывает масса обрабатываемой детали (200 т). Полученные результаты свидетельствуют об имеющихся резервах по улучшению качества проектирования несущих конструкций станка.
Таблица 3
Сравнительные показатели качества НС (серийная/оптимальная)
Рис. 9. Динамическая модель несущей системы многоцелевого станка
Для оценки динамических свойств несущей системы станка используется балочная модель с распределенными параметрами (рис. 9). Несущая система рассматривается как пространственная стержневая конструкция с упругими соединениями по концам стержней. Несущие конструкции моделируются стержнями или сосредоточенными массами, а стыки - упругими связями в узлах. Несущая система станка (рис. 7) моделируется 27 стержнями, 1 сосредоточенной массой, имеет 31 узел, 15 опор, 3 стыка. Шпиндельная бабка моделируется стержнями 1-2,., 5-6. Стойка моделируется стержнями 7-12,., 14-15, стык 4-12 соответствует соединению шпиндельной бабки со стойкой. В узле 15 располагается стык, отвечаю-
Несущая система Форма Податливость по осям Масса
колебаний K X K y K z
Фрезерно-расточ-ной станок 1 2 0,91 1,15 1,30 1,20 1,00 1,15 1,17
Поворотно-подвижный стол 1 2 1,01 1,02 1,02 1,01 1,02 1,02 1,12
Выводы
1. Технология проектирования конструкций представлена как система, обеспечивающая создание станков без избыточных возможностей, прогнозирование их работоспособности в условиях интенсивных механических воздействий и научное обоснование выбора проектных решений.
2. Рассмотренная технология рационального проектирования несущих конструкций тяжёлых станков позволяет (рис. 10):
• на этапе расчёта компоновки станка для заданных норм производительности и точности механической обработки с учётом контактных деформаций формировать граничные условия (силовые, кинематические)
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
для отдельных несущих конструкций, имеющих упрощенную геометрию поперечного сечения;
• на этапе проектирования отдельной несущей конструкции получать оптимальную конструкцию с реальной геометрией поперечного сечения и минимально возможной массой при удовлетворении полученных ранее граничных условий;
• на заключительном этапе дать оценку динамических характеристик станка.
3. Достигается высокая степень «зрелости» конструкции, уменьшается время на разработку проекта и риск при запуске в производство, возрастает конкурентоспособность станка в связи с улучшением его технико-экономических показателей.
ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ
Классика Предлагается
1. Заданы: - внешняя нагрузка - условия опирания. 2. Расчет НС станка: - базовые детали жесткие; - учет контактных деформаций; - определяются приближенно внутренние силы в местах контакта базовых деталей. 3. Разбиение на базовые детали: - зависимые детали; - трудности в распределении работы между разработчиками; - результат - работоспособные базовые детали. 1. Заданы: - внешняя нагрузка - условия опирания. 2. Расчет НС станка: - базовые детали деформируемые; - контактные деформации + упругие деформации базовых деталей; - определяются внутренние силы в местах контакта базовых деталей и их поля перемещений.
Компоновка НС Компоновка НС
Р @ [j] 0 3. Разбиение на базовые детали: - независимые детали; — - независимое проектирование разра -ботчиками; - результат - базовые детали с опти -мальными параметрами.
| Сборка | Сборка |
4. Повышенная масса базовых деталей при заданной точности и п роиз водител ьн о сти 4. Минимально возможная масса базовых деталей при заданной точности и производительности
5. Удлинение сроков проектирования из -за согласований между разработчиками отдельных узлов 6. Риск при запуске в производство 5. Сокращение сроков проектирования из-за отсутствия зави симости между разработчиками отдельных узлов
6. Минимальный риск при запуске в производство
Рис. 10. Сравнительные характеристики классического метода проектирования МС и рассмотренной технологии проектирования
Список литературы
1. Каминская В.В. Станины и корпусные детали металлорежущих станков / В.В. Каминская, З.М. Левина, Д.Н. Решетов. - М.: Машгиз, 1960. - 362 с.
2. Рао, Гранди. Оптимальное проектирование несущей конструкции радиально-сверлильного станка с ограничениями по статической жесткости и частотам собственных колебаний / Рао, Гранди // Труды АОИМ: Конструирование и технология машиностроения - 1983. Т. 105. - № 2. - С. 206-211.
3. Есимура, Такэути, Хитоми. Оптимальное проектирование несущих конструкций МРС с учетом стоимости изготовления, точности и производительности / Есимура, Такэути, Хитоми // Труды АОИМ: Конструирование и технология машиностроения - 1984. Т. 106. - № 4. -С. 213-220.
4. Хомяков В. С., Яцков А.И. Оптимизация несущей системы одностоечного токарно-карусельного станка / В.С. Хомяков, А.И. Яцков // Станки и инструменты.- 1984. -№ 5. - С.14-16.
5. Атапин В.Г. Проектирование несущих конструкций тяжёлых многоцелевых станков с учётом точности,
производительности, массы // Вестник машиностроения.- 2001. - № 2. - С. 3-6.
6. Реклейтис Г. Оптимизация в технике: В 2-х кн. / Г. Реклейтис, А. Рейвиндран, К. Рэгсдел. - М.: Мир, 1986. -Кн. 1. - 350 с. - Кн. 2. - 320 с.
7. Жевелёв Г.И., Рубинович Б.Х., Тув А.И. Тяжёлые горизонтально-расточные и продольно-строгальные станки. - М.: Машиностроение, 1969. - 240 с.
8. Атапин В.Г., Гапонов И.Е., Павин А.Г. Автоматизация проектирования тяжелых многоцелевых станков // I Всесоюзный съезд технологов-машиностроителей. - М. 1989. - С. 42-43.
9. Атапин В.Г., Войнова Е.В. О моделях для расчета контактных деформаций при автоматизированном проектировании несущей системы многоцелевого станка // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). - 2011. - №1(50). - С. 20-22.
10. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. - М.: Физ-матгиз, 1962. - 564 с.
11. Атапин В.Г. Расчётное проектирование базовых деталей тяжёлых поворотно--подвижных столов / В .Г. Атапин // Вестник машиностроения. - 1997. - № 6. - С. 29-32.
Settlement designing of bearing designs of heavy multi-purpose machine tools
V.G. Atapin
The basic aspects of settlement designing of carrier constructions of heavy multi-purpose machine tools taking into account the information on demanded precision and productivity machining are considered. Calculations of carrier system and constructions of the machine tool for the purpose of reception of their optimum models are resulted.
Key words: settlement designing, the multi-purpose machine tool, carrier constructions, finite elements method, optimization methods.
