CC BY
69
ТЕХНОЛОГИЯ МАШИНОСТРОЕНИЯ
УДК 621. 9: 06.001
СТАТИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ КОМПОЗИЦИОННОЙ СТАНИНЫ ОСОБО ТОЧНОГО СТАНКА
В.А. Рогов, М.Е. Ахмед Оссама, А.А. Махов
Кафедра технологии машиностроения, металлорежущих станков и инструментов Российского университета дружбы народов
Россия, 117198, Москва, ул. Миклухо-Маклая, 6
В статье рассматриваются статические исследования композиционной станины особо точного станка. Использование МКЭ делает возможным проведение быстрого и качественного прочностного анализа как отдельных нагруженных деталей станка, так и всего изделия в сборе.
На этапе проектирования металлорежущего оборудования возникает задача анализа прочности корпусных элементов конструкций. В частности, для металлорежущих станков важным является проведение прочностного расчета станины, определение ее напряженно-деформи-рованного состояния.
В последнее время широкое распространение для проведения такого анализа получил метод конечных элементов (МКЭ), сутью которого является представление твердого тела как набора (матрицы) простых элементов, имеющих одинаковую форму и обладающих свойствами материала исследуемой детали конструкции. К таким свойствам относят, прежде всего, жесткость, пластичность, прочность и пр. В данной статье рассматривается использование МКЭ для статического анализа синтеграновой станины особо точного токарного станка.
Станина станка, как главный несущий элемент системы постоянно воспринимает нагрузки: статические, переменные статические и динамические, вызываемые как устанавливаемыми на нее узлами, так и непосредственно самим процессом резания. Сложные конструкции станин современных металлорежущих станков не позволяют с достаточной степенью точности проводить прочностной анализ, выявлять слабые места и определять возможные деформации ее элементов. Такие деформации могут отражаться как на точности обработки, так и на работоспособности исполнительных механизмов станка, могут приводить к заклиниванию перемещений и быть причиной повышения шума и вибрации, а также вызвать поломку оборудования.
Использование МКЭ делает возможным проведение быстрого и качественного прочностного анализа, как отдельных нагруженных деталей станка, так и всего изделия в сборе. Метод конечных элементов состоит из трех основных этапов [1].
1. Подготовка данных - создание модели объекта и представление его в виде матрицы конечных элементов определенной формы.
2. Обработка исходных данных - осуществление расчета матриц жесткости системы. На исследуемую модель налагаются граничные условия, решаются получившиеся уравнения равновесия и вычисляются напряжения в каждом ее элементе.
3. Последующая обработка результатов - представление расчетных данных в виде таблиц, диаграмм, контуров и пр., необходимых для полного представления результатов.
На рис. 1 представлен эскиз компоновки особо точного токарного станка МК 6514, изготовленного на ОАО «Красный Пролетарий». На рис. 2 показана анализируемая модель станины. Станина станка выполнена из синтеграна, отличающегося от традиционного конструкционного материала - чугуна, высокими демпфирующими свойствами, необходимыми для обеспечения виброустойчивости всей системы. Так как в реальной конструкции станка станина устанавливается на аэростатические опоры, обладающие низкой жесткостью, то при прочностном анализе целесообразно перейти к условным абсолютно жестким опорам.
800
Рис. 1. Компоновка особо точного токарного станка со станиной из синтеграна:
/ - станина; 2 - основание; 3 • пневматические виброизолирующие опоры; 4 - шпиндель;
5 - привод; 6 - Заготовка; 7 - продольный суппорт; 8 - поперечный суппорт; 9 - резцедержатель
Параметры модели;
Масса, т - 700 кг, Плотность, р - 2500 кг/м3,
Модуль упругости, £-40-103 МПа, Коэффициент Пуассона, V - 0.3, Предел прочности: при сжатии, стсж -180 МПа,
при изгибе аизг - 30 МПа.
Рис. 2. Исследуемая модель станины из синтеграна
Это делается с целью отделения деформационных составляющих станины от ее упругих перемещений в опорах. Основной сложностью рассматриваемой модели является наличие расположенного ассиметрично цилиндрического отверстия под шпиндельный узел.
Для анализа синтеграновой станины с помощью МКЭ применяется система ANSYS 5.6.2, позволяющая проводить все этапы метода и выдавать наиболее полные и наглядные результаты.
В качестве конечного элемента окончательно был принят элемент SOLID 185, представляющий собой четырехгранную призму (см. рис. 3, а). Такой элемент используется для пространственного моделирования твердых тел. Элемент характеризуется 8-ю узловыми точками, имеющими три степени свободы - перемещения вдоль осей х, у, г. Использование конечных элементов других типов (например, таких как треугольная призма, тетраэдр) не дало удовлетворительных результатов. Задавая параметры конечных элементов и проводя расчет дифференциальных уравнений, описывающих условия равновесия системы (здесь не приводятся), получаем контуры. Наиболее важным искомым элементом прочностного анализа в данном случае является нахождение наиболее напряженных и деформированных мест станины.
деформированного напряженно-деформированного состояния станины, представленные на рис.
4, а-б.
Исключая из рассмотрения места соприкосновения абсолютно жестких опор с моделью, было определено что, концентратором напряжений и деформаций является область вблизи цилиндрического отверстия. Наибольшие значения деформаций и напряжений наблюдаются в той зоне, где расстояние от отверстия до края станины наименьшее.
На рис. 5, а-б представлены зависимости величин напряжения и деформации на поверхности станины (верхняя плоскость) в поперечном сечении, проходящем через ось шпиндельного отверстия.
Из рисунков видно, что напряжения в зоне установки шпиндельного узла в станину превышают аналогичные значения на периферии в 2,5-3 раза. Эти же заключения справедливы и для деформаций. В соответствии с задачами исследования, сформулированными в п.1, исследуемая станина / (см. рис. 6) устанавливается на основании 2 на три бобышки 3, имеющие на своей опорной поверхности специальные конические пальцы 4 для базирования станины и предотвращения ее "оплывания" в сторону при подъеме станины на аэростатических опорах 5. На станине устанавливается механизм подачи 6 с суппортом 7. На специальные платки станины, предназначенные для установки шпиндельного узла, крепится специальная плита 8, которая
(а)
(б)
Рис. 3. Начальный этап метода конечных элементов: а - форма элемента SOLID 185; б - разбивка исходной модели на элементы
служит опорной поверхностью для установки грузов 9, имитирующих нагрузку от шпинделя и заготовки. К нижней (опорной) поверхности станины приклеиваются тонкие пластины 10 из дюралюминия, полированные до шероховатости 0,25 - 0,35 Яа , которые служат отражателями инфракрасного излучения источника света датчика СВПП.
Рие.,4. Напряженно - деформированные контуры модели: а - распределение полей деформации; б - распределение полей напряжений
Датчики /I устанавливаются в вертикальном положении, на специальных кронштейнах 12. Индикаторы часового типа 13 устанавливаются по обычной схеме на магнитных стойках 14 и упираются измерительным наконечником либо непосредственно в шлифованную опорную поверхность плиты, либо в приклеенные отражательные пластины. Для индуктивных датчиков перемещений 15 также предусмотрены специальные кронштейны 16. Измерительный комплекс включает прибор завода "Калибр" 17, источник постоянного стабилизированного напряжения 18 и микровольтметр постоянного тока 19. Все измерительные устройства могут работать одновременно независимо друг от друга, что позволяет перекрыть весь ожидаемый диапазон измерения измеряемых параметров. Приведенные массы элементов конструкции составили: для станины - 3132 кг, механизма подачи - 226 кг, суппорта - 33,1 кг, ползушки - 24 кг, резцедержателя - 6,78 кг.
Исходя из полученных результатов, можно утверждать, что ассиметрия расположения шпиндельного отверстия является источником разности значений напряжений по периферии отверстия (например, по обеим сторонам поперечного сечения см. рис. 5, а), и соответственно разности деформаций. Такая разность, достигающая в опасном сечении 2-3 мкм, может стать причиной перекоса оси шпинделя и, при недостаточном демпфировании, приводит к повышенным вибрационным характеристикам, по сравнению с моделью без ассиметрии. При нагрузке, имитирующей реальные массы, максимальная податливость станины в месте наибольшего
прогиба составляет 2,5 • 10 Змкм/Н. Для динамических исследований это означает, что одновременно значительно уменьшается и динамическая податливость.
Рис. 5. Зависимость напряжение и деформации на поверхности модели и поперечном сечении, проходяш ем через ось цилиндрического отверстия: а - напряже мне; о - деформация
-ум-н-а-“\
5/15/ \м\п \!2 \Ц_
-Л -.Г
Рис. 6. Схема статических исследований
При статических исследованиях мы имеем дело со значительными силами нагружении (суммарная масса шпиндельного узла вместе с заготовкой может достигать нескольких сотен килограммов, т.е. создавать силу веса несколько тысяч Ньютонов), а в динамическом возбуждении с ростом частоты (мощность пропорциональна кубу частоты) амплитуда возбуждающей силы резко падает. Поэтому для перекрытия широкого диапазона частот исследований может быть применено два способа получения силового возбуждения переменной силы - контактный способ может быть реализован в области низких и средних частот, а инерционный - в области высоких частот. Таким образом, при мощности вибровозбуждающего комплекса 50 Вт можно добиться регистрируемой амплитуды вибровозбуждающей силы порядка 25-30 Н в диапазоне частот 20-600 Гц.
ЛИТЕРАТУРА
1. Shoukr SH.L. Evaluation of general rules of the finite element two-dimensional mesh programming and graphics. // Bulletin of the faculty of Engineering, Minia University. Egypt. Vol. 20, № 1,-2001, pp. 54-70.
2. Рогов В.А., Оссама Мохаммед Ерфан Ахмед. Определение частоты и логарифмического декремента колебаний образца из синтеграна // Строительная механика инженерных конструкций и сооружений / Межвузовский сборник научных трудов.- М.: Изд-во АСВ, 2003.-С 132-136.
UDC 621.9:06.001
STATIC STRESS STRAIN ANALYSIS OF A HIGH PRECISION MACHINE BED MANUFACTURED FROM COMPOSITE MATERIALS
Rogov V.A., Ahmed Ossama M.E., Makhov A.A.
In this article it is used the finite element method (FEM) and an experimental work to study statically the stress strain state of the high precision machine bed produced from a nonmetallic composite material centegran .
