CC BY
25
УДК 621.8
Выбор рациональной конструкции шпинделя вертикально-фрезерного станка
Глейм В.Р., Яковлев Н.Д., Левчук А.Ю., Плотников К.П., Ча Г.О.
НГТУ г. Новосибирск
Аннотация: В статье рассматривается методика выбора рациональной конструкции шпинделя вертикально-фрезерного станка при проектировании специального технологического оборудования, используя средства систем автоматизированного проектирования (САПР). Выполняется обоснованный выбор оптимального варианта изготовления шпинделя.
Ключевые слова: оптимизация, рационализация, оборудование, станок, шпиндель.
Введение: В настоящее время в станкостроении одной из важнейших задач является повышение эффективности металлорежущего оборудования. В большинстве это обеспечивается за счет рационального конструирования привода главного движения [1 - 8].
Анализ существующих методик проектирования шпиндельных узлов металлорежущего оборудования [9 - 12] позволил выявить, что основными критериями при проектировании шпиндельных узлов являются точность, жесткость, виброустойчивость. Причем, такие важные критерии оптимизации как стоимость, производительность изготовления и коэффициент запаса прочности в большинстве своем даже не принимаются во внимание. В данной работе была предпринята попытка учесть эти критерии при проектировании.
Основной целью работы является разработка дополнительных рекомендаций к методике выбора рациональной конструкции шпинделя.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Определиться с материалами для изготовления шпинделя. Проанализировав предложения по металлопрокату на рынке, рассчитать стоимость заготовок.
2. Выбрав типовые режимы резания, рассчитать производительность изготовления шпинделя.
3. Рассчитать коэффициент запаса прочности, в зависимости от физико-механических характеристик материала и габаритов.
Теория и методика проведения расчетов: Используя методику прогнозирования технических характеристик металлорежущих станков [13-15], были определены предельные геометрические параметры привода главного движения. Исходя из этого, в расчете были приняты следующие стандартные размеры конуса шпинделя фрезерного станка - номера 45, 50 и 55. Пользуясь рекомендациями [16], осуществлен выбор материалов для изготовления шпинделей и определены физико-механические характеристики следующих марок сталей: 55 (ав=570 МПа), 40ХН Ов=570 МПа), 38ХН3МА (^=835 МПа) [17].
После этапа предварительного проектирования, программными средствами Компас-3Б осуществлено построение 3Б-модели шпинделя и определены его массо-центровочные характеристики. Расчет припусков позволил в окончательном виде определиться с габаритами заготовки, её объемом, а также объемом снимаемого материала. С учетом режимных параметров на каждом из переходов (черновой, получистовой и чистовой обработки) и коэффициента обрабатываемости материала, было определено основное время и, следовательно, производительность изготовления шпинделя. Основное время определяли по формуле:
У
__стружки
осн
Кобр [0,6(^чер^чер^чер ) + 0,25(У п.чист^ п.чист^ п.чист ) + 0,15(^чист^чист^чист )] (1)
где Кобр - коэффициент обрабатываемости материала. Типовые режимы резания выбраны из каталога [18]:
• Черновое точение: учер = 180м/мин; иер = 4мм; 5чер = 0,5мм/об;
• Получистовое точение: Уп.чист = 260м/мин; и.чист = 1,5мм; 5п.чист = 0,25мм/об;
• Чистовое точение: учист = 340м/мин; гчист = 0,2мм; 8чист = 0,1мм/об; При этом производительность изготовления равна:
'о-н (2)
осн
Расчет на прочность проводили методом конечных элементов посредством комплекса Лтуэ [19]. Результаты расчета для шпинделя из стали 40ХН и конусом 45 представлены на рисунке 1.
Рисунок 1 - Результаты расчета коэффициента запаса прочности для шпинделя из стали 40ХН и конусом 45.
Результаты и обсуждение: На примере конкретного поставщика металлопроката [20] рассчитана стоимость заготовок. Результаты расчетов представлены в таблице 1.
Построение отображений функциональных зависимостей производительности от габаритов шпинделя и предела прочности материала (рисунок 2а), стоимости заготовки от габаритов шпинделя и предела прочности материала (рисунок 2б), коэффициента запаса прочности от габаритов шпинделя и предела прочности материала (рисунок 2в). проводится при помощи программного продукта Table Curve 3D.
Таблица 1 - Исходные данные
Конус шпинделя Материал Предел прочности, МПа Коэффициент запаса прочности Производител ь -ность, с-1 Стоимость, руб
45 40ХН 570 1,6899 0,000784477 1545
45 55 570 1,6899 0,000980597 971
45 38ХН3МА 835 3,6748 0,000686418 2940
50 40ХН 570 3,3598 0,000427241 2865
50 55 570 3,3598 0,000534051 1800
50 38ХН3МА 835 7,3062 0,000373836 5451
55 40ХН 570 4,9977 0,000263597 4705
55 55 570 4,9978 0,000329497 2956
55 38ХН3МА 835 10,868 0,000230648 8955
Из множества уравнений, подобранных программой, выбираем уравнение с наибольшим коэффициентом корреляции. Трехмерные отображения полученных функциональных зависимостей представлены на рисунке 2.
На основе полученных функций строим график зависимости производительности изготовления, стоимости заготовки, коэффициента запаса прочности от размеров конуса шпинделя и предела прочности материала. График представлен на рисунке 3.
Rank 2 Eqn 308 z=a+blnx+c/y+d(lnx)A2+e/yA2+f(lnx)/y
rA2=0.99764884 DF Adj rA2=0.99059537 FitStdErr=2.0287724e-05 Fstat=254.59357 a=0.13719522 b=-0.068870126 c=3.3864484 d=0.0086878092 e=235.42802 f=-1.0159524
Rank 134 Eqn 301 z=a+bx+cy+dxA2+eyA2+fxy
rA2=0.99917062 DF Adj rA2=0.99668246 FitStdErr=116.48905 Fstat=722.82775 a=42105.69 b=-1541.3102 c=-40.960152 d=12.266667 e=-0.0025749978 f=1.0986297
0.001 0.0009 0.0008 0.0007 0.0006 0.0005 0.0004 0.0003 0.0002
-0.001
0.0009 9000
0.0008 8000
0.0007 7000
0.0006 6000
0.0005 5000
0.0004 4000
0.0003 3000
0.0002 2000
в 1000
0
9000 8000 7000 6000 5000 4000 3000 2000 1000 0
* # О*'45
Rank 1 Eqn 531 Cosine Series Bivariate Order 2
rA2=0.99802675 DF Adj ^2=0.99210702 FitStdErr=0.2111207 Fstat=303.46761 a=4.7244125 b=-2.5265387 c=-1.9669167 d=-0.011125 e=1.0356911 f=0.59537915
б)
в)
Рисунок 2 - Функциональные зависимости:
а) производительности изготовления от конуса шпинделя и предела прочности материала; б) стоимости заготовки от конуса шпинделя и предела прочности материала; в) коэффициента запаса прочности от конуса шпинделя и предела прочности материала.
Согласно техническому заданию завода-изготовителя коэффициент запаса прочности шпинделя должен находится в диапазоне от 3 до 5.
Следует отметить, что в результате математического моделирования, стало возможным расширить диапазон варьирования значениями физико-механических характеристик материалов, поскольку в область оптимизации, например, попадает и сталь 20Х, ранее нами не рассматриваемая. Данная сталь имеет низкий предел прочности (^=390 МПа) по сравнению с другими вариантами, рассмотренными в работе, но при обеспечении максимального габарита, коэффициент запаса прочности входит в заданный диапазон. В таблице 2 представлены все сравниваемые варианты изготовления.
ПрЕдеп прочности, МПа
800 700 600 500 400 300 200 100
О 45 50 55
Размеры конуса шпинделя
____ Стоимость
_ Козф-т запаса
___Производительность
Рисунок 3 - график зависимости производительности изготовления, стоимости заготовки, коэффициента запаса прочности от размеров конуса шпинделя и предела прочности материала.
Таблица 2 - Варианты изготовления шпинделя
Конус шпинделя Материал Предел прочности, МПа Коэффициент запаса прочности Производительност ь, с'1 Стоимость, руб
45 38ХН3 МА 835 3,6748 0,000686418 2940
50 40ХН 570 3,3598 0,000427241 2865
50 55 570 3,3598 0,000534051 1800
55 40ХН 570 4,9977 0,000263597 4705
55 55 570 4,9978 0,000329497 2956
55 20Х 390 3,0938 0,000694266 3086
Из полученных результатов видно, что рациональным решением является шпиндель с конусом №50 из стали 55 (таблица 2). Данное решение оказывается с самой низкой ценой среди рассмотренных, при производительности изготовления выше средней и коэффициентом запаса прочности 3.36.
Вывод: Рассмотрена методика выбора рациональной конструкции шпинделя.
Выполнен обоснованный выбор конструкции шпинделя вертикально-фрезерного станка по критериям производительности изготовления шпинделя, стоимости заготовки, и коэффициенту запаса прочности. Выбран вариант изготовления шпинделя с конусом №50 из стали 55. Данная конструкция обладает наименьшей стоимостью заготовки, производительностью изготовления достигает значения 0,000534051 с-1 (что составляет 77% от максимальной), при этом коэффициент запаса прочности доходит до уровня 3.36.
Библиографический указатель:
1. Скиба В.Ю. Актуальные проблемы в машиностроении: сборник материалов первой международной научно-практической конференции // Хроники объединенного фонда электронных ресурсов Наука и образование. 2014. - № 11 (66). - С. 83.
2. Actual Problems and Decisions in Machine Building / ed. by V.Yu. Skeeba. -Pfaffikon: Trans Tech Publ. - 2015. - 344 p. - (Applied mechanics and materials; vol. 788). - ISBN 978-3-03835-551-9.
3. Иванцивский В.В., Скиба В.Ю. Эффективность объединения операций поверхностной закалки и шлифования на одном технологическом оборудовании // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). - 2010. - № 4 (49). -С. 15-21.
4. Станочное оборудование, основанное на комплексировании нескольких технологических операций / В.Н. Пушнин, И.А. Ерохин, Д. Ю. Корнев, В.Ю. Скиба // Актуальные проблемы в машиностроении. - 2014. - № 1. - С. 245-255.
5. Integration of production steps on a single equipment / V. Skeeba, V. Pushnin, I. Erohin, D. Kornev // Materials and Manufacturing Processes. -2015. - Vol. 30, iss. 12. - P. 1408-1411. - doi: 10.1080/10426914.2014.973595.
6. Моделирование несущих систем технологических машин / Ю.И. Подгорный, В.Ю. Скиба, А.В. Кириллов, В.Н. Пушнин, И.А. Ерохин, Д.Ю. Корнев // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). - 2014. - №2 (63). - С.91-99.
7. Разработка технологической установки для плазменно-механи-ческой обработки / П.В. Трегубчак, Д.Ю. Корнев, В.Н. Пушнин, В.Ю. Скиба // Механики XXI веку. - 2015. - № 14. - С. 135-141.
8. Технологические особенности формирования параметров качества поверхностного слоя при алмазном выглаживании в условиях интегрированной обработки / В.Ю. Скиба, В.Н. Пушнин, Д.Ю. Корнев, К.А. Парц // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты).
- 2015. - № 3 (68). -С. 31-41. - doi: 10.17212/1994-6309-2015-3-31-41.
9. Пуш В.Э. Металлорежущие станки: Учебник для машиностроительных втузов. - М.: Машиностроение, 1985. - 256 с.: ил.
10. Бушуев В.В. Основы конструирования станков. - М.: Станкин, 1992. - 520с.
11. Кочергин А.И. Конструирование и расчет станков и станочных комплексов: Учеб. пособие. - Минск: Высшая школа, 1991.
12. Автоматизированный расчет станочных приводов: Учеб. пособие / Под ред. Ю.С. Чёсова. - Новосибирск: Изд-во НГТУ, 1996.
13. Надежность прогноза качества технологического оборудования / С.В. Птицын, В.Ю. Скиба, Ю.С. Чёсов, Е.В. Мережко // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). -2013. -№ 2. -С. 3338.
14. Прогнозирование технических характеристик интегрального технологического оборудования / В.Н. Пушнин, Д.Ю. Корнев, Н.В. Вах-рушев, В.Ю. Скиба, К.А. Парц // Труды Братского государственного университета. Серия: Естественные и инженерные науки. -2014. -Т. 2. -С. 97101.
15. Quality improvement of wear-resistant coatings in plasma spraying integrated with high-energy heating by high frequency currents / E. Zverev, P. Tregubchak, N. Vakhrushev, S. Ptitsyn // Applied Mechanics and Materials. -2015. - Vol. 788. - P. 318-324.
16. Проектирование металлорежущих станков и станочных систем: Справочник-учебник. В 3-х т. Т. 2. Ч. 1. Расчет и конструирование узлов и элементов станков / А.С. Проников, Е.И. Борисов, В.В. Бушуев и др.; Под общ. ред. А.С. Проникова. - М.: Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана: Машиностроение, 1995. - 371 с.: ил.
17. Стали и сплавы. Марочник: Справочное издание / Сорокин В.Г., Гервасьев М.А., Палеев В.С., Гервасьева И.В., Палеева С.Я., Под ред. Сорокина В.Г., Гервасьева М.А. - М.: Интермет Инжиниринг, 2001.
- 608 с.
18. Рекомендуемые режимы резания при точении // Лаборатория новых технологий. Систем. требования: Adobe Acrobat Reader URL: http://www.instr.labnt.su/files/135/rezjim_turning_ext.pdf (дата обращения: 18.10.2015).
19. Исследование жесткости шпиндельного узла плоскошлифовального станка модели 3Г71 / Пушнин В.Н., Вахрушев Н.В., Мережко Е.В., Корнев Д.Ю., Скиба В.Ю. // Инновации в машиностроении: труды 4-й Международной научно-практической конференции. - 2013. - С. 107112.
20. Продажа металлопроката: Круг, Лист, Шестигранник, Проволока, Полоса, Дробь I Наличие. Цены - ГП Стальмаш URL: http://www.yaruse.ru/ (дата обращения: 18.10.2015).
Об авторах:
Глейм Виктор Робертович - магистрант, Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск
Яковлев Николай Дмитриевич - старший преподаватель, Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск
Левчук Алексей Юрьевич - магистрант, Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск
Плотников Кирилл Павлович - магистрант, Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск
Ча Григорий Олегович - магистрант, Новосибирский государственный технический университет, г. Новосибирск
