Р асчет силовых смещений корпуса шпиндельной бабки токарного станка

1.Описание конструкции шпиндельной бабки токарного станка 16К20

Шпиндельная бабка токарного станка 16К20 предназначена для базирования подшипников шпинделя, а также для передачи вращения от шкива ременной передачи на шпиндель.

Внутри шпиндельной бабки находятся несколько валов с зубчатыми колесами, передающими вращение от шкива ременной передачи на шпиндель. Переключение зубчатых колес обеспечивает регулирование частоты вращения шпинделя.

Шпиндель имеет две опоры – переднюю и заднюю. Передняя опора воспринимает как радиальную, так и осевую нагрузку. Задняя опора выполнена плавающей, она воспринимает только осевую нагрузку.

Корпус шпиндельной бабки имеет форму параллелепипеда. В нем расположены отверстия для опор шпинделя и промежуточных валов. Корпус крепится к станине болтами. Его опорная поверхность состоит из 6 платиков.

2.Постановка задачи

Исходные данные:

1) Форма детали:

При расчете используется упрощенная твердотельная модель корпуса шпиндельной бабки станка 16К20 (не учитываются отверстия под промежуточные валы, радиусы скруглений в сопряжениях стенок и т. п.).

Твердотельная модель находится в файле Spinbox.sat.

В данном документе не описывается процесс построения твердотельной модели. Для ее построения могут использоваться различные системы твердотельного моделирования (например AutoCAD).

2) Материал детали: серый чугун

(Е=1,1*10¹¹ Па, =0,28).

Рис. 1

3 ) Схема нагружения:

Корпус нагружен силами, действующими на него со стороны шпинделя (реакции в опорах шпинделя), см. рис. 2. Значения этих реакций зависят от сил резания, действующих на заготовку, закрепленную в шпинделе.

Значения сил резания и реакций в опорах шпинделя рассчитаны исходя из реального технологического процесса (черновое точение, режимы резания: t=3мм, s=1мм/об, v=150м/мин, материал заготовки – сталь 45, материал резца – твердый сплав Т15К6).

В данном документе не приведен расчет сил резания и реакций в опорах шпинделя.

При расчете силовых смещений реакции в опорах шпинделя полагаются распределенными по их поверхностям (отверстия 150 и 130). Рис. 2. Схема нагружения

4 ) Схема закрепления:

Корпус полагается закрепленным по всей своей опорной поверхности (на рис. 3 закрепленные точки выделены цветом).

Силовые смещения корпуса зависят от многих факторов (собственная жесткость корпуса, собственная жесткость станины, контактная жесткость соединения корпуса со станиной).

В данном документе приведен расчет только той составляющей, которая обусловлена собственными деформациями корпуса.

Требуется найти:

1)Силовые смещения (напряженно- деформированное состояние) корпуса шпиндельной бабки.

2)Силовые смещения опор шпинделя.

Рис. 3. Схема закрепления

3.Расчет силовых смещений корпуса шпиндельной бабки

Запускаем DesignSpace.

В главном меню выбираем ToolsStress Wizard. После этого появится окно DesignSpace Wizard.

Нажимаем Next.

Загружаем твердотельную модель корпуса.

Нажимаем Attach a Part or AssemblyAttachmentAttachвыбираем файл Spinbox.sat.

В окне All parts dimensioned in: выбираем MillimetersOK.

После этого в окне CAD Geometry появится твердотельная модель корпуса.

Нажимаем Next.

Задаем материал корпуса.

Выделяем строку Part 1 в окне Object View (для этого нужно нажать над ней левую кнопку мыши).

Нажимаем Edit Part PropertiesMaterialBrowseвыбираем Gray_Cast_Iron (серый чугун)OK.

Указанный нами материал имеет те же свойства, что заданы в исходных данных (Е=1,1*10¹¹ Па, =0,28). Для того чтобы увидеть свойства материала (модуль Юнга, коэффициент Пуассона, коэффициент теплопроводности и др.) нужно нажать Edit Part PropertiesMaterialEdit.

Любое из свойств материала может быть изменено.

Для того чтобы изменить количество конечных элементов, на которые деталь будет разбиваться при расчете, нужно нажать Edit Part PropertiesRelevance. В данном расчете было оставлено значение этой опции по умолчанию.

Нажимаем Next.

Задаем нагрузки, действующие на корпус.

В главном меню выбираем ToolsOptionsGeneralвыключаем Interactively pick vector load directionsOK.

Нажимаем Add Structural Loads. Появится окно Structural Load Builder.

Задаем нагрузку, действующую на поверхность передней опоры шпинделя.

Выделяем поверхность передней опоры (отверстие 150). Для этого нужно нажать над ней левую кнопку мыши. Выделенная поверхность изменит свой цвет.

Если сразу сделать это не получилось, нужно изменить настройки изображения с помощью кнопок на панели . Чтобы узнать назначение какой-либо кнопки на этой панели, нужно нажать ее, затем нажать левую кнопку мыши над окном CAD Geometry и переместить мышь, удерживая кнопку нажатой. Для возврата к исходному изображению нужно нажать кнопку .

После того как поверхность выделена, в окне Structural Load Builder станет доступным переключатель Cylinder for a Bolt Load. Включаем Cylinder for a Bolt LoadApply.

В появившемся окне задаем значения составляющих реакции в передней опоре по осям X, Y, Z:

Word X Component: 2530N;

Word Y Component: 7590N;

Word Z Component: -1400N.

Нажимаем Close.

Аналогично задаем нагрузку, действующую на поверхность задней опоры шпинделя (отверстие 130). Для нее вводим следующие значения составляющих реакции:

Word X Component: -1130N;

Word Y Component: -3390N;

Word Z Component: 0N.

Закрываем окно Structural Load Builder.

При включении переключателя Cylinder for a Bolt Load составляющие силы, действующей на цилиндрическую поверхность, распределяются по этой поверхности.

Осевая составляющая распределяется равномерно по всей поверхности. Радиальная составляющая P_R распределяется по параболическому закону (см. рис. 4). Рис. 4

Задаем условия закрепления корпуса.

Нажимаем Add Structural Supports. Появится окно Structural Support Builder.

Поворачиваем изображение корпуса в окне CAD Geometry таким образом, чтобы была видна его опорная поверхность, состоящая из 6 платиков (см. рис. 3).

Нажимаем левую кнопку мыши над каждым платиком, одновременно удерживая нажатой клавишу <Ctrl>. В результате будет выделена вся опорная поверхность корпуса.

После того как поверхность выделена, в окне Structural Support Builder станет доступным переключатель Fixed Surface. Включаем Fixed SurfaceApply.

Закрываем окно Structural Support Builder.

Нажимаем Next.

Определяем, какая информация должна быть выдана в результате расчета.

Нажимаем Add Structural Results. Появится окно Structural Result Builder.

В этом окне выбираем Deformationвключаем Deformation Shape, Word X component, Word Y component, Word Z componentApply.

Закрываем окно Structural Result Builder.

Введены все исходные данные. Теперь можно получить ответы.

Нажимаем Find Answers. Время счета на компьютере Pentium III 500 RAM 128Mb составляет 35с.

Просматриваем результаты расчета.

Д ля того чтобы просмотреть, например, величины абсолютных смещений (Deformation Shape), нужно выделить строку Deformation Shape в окне Object View (нажать над ней левую кнопку мыши).

Величины абсолютных смещений будут отображены в окне CAD Geometry.

Для того чтобы определить величину абсолютного смещения какой-либо точки, нужно подвести указатель мыши к этой точке. При этом в нижнем правом углу окна программы (в строке статуса) будет отображаться величина абсолютного смещения этой точки.

Чтобы увидеть конечно-элементную сетку, нажимаем правую кнопку мыши на строке Deformation Shape  Picture PropertiesGeneralвключаем Elements OK.

После этого будет отображена конечно-элементная сетка (рис. 5).

Аналогичным образом можно просмотреть и величины перемещений по осям X, Y, Z (Word X component Shape, Word Y component Shape, Word Z component Shape). Рис. 5

4.Расчет силовых смещений опор шпинделя

С мещение опоры шпинделя находим как среднее арифметическое смещений нескольких точек, равномерно распределенных по поверхности этой опоры.

Для передней опоры используем точки A₁, A₂, A₃, A₄, для задней - B_1, B₂, B₃, B₄.

Настроим изображение в окне CAD Geometry таким образом, чтобы при отображении величин смещений по осям X, Y, Z деталь отображалась бы недеформированной.

Нажимаем правую кнопку мыши на строке Word X component Shape  Picture Properties  Shape  включаем UndeformedOK.

Аналогичные действия проводим со строками Word Y component Shape и Word Z component Shape. Рис. 6

Определяем смещения точек A₁, A₂, B₁, B₂.

Нажимаем кнопку , чтобы увидеть вид спереди.

Проведем горизонтальную секущую плоскость через ось шпинделя.

Чтобы провести секущую плоскость, нужно нажать кнопку , затем нажать левую кнопку мыши над окном CAD Geometry, переместить мышь, удерживая кнопку нажатой, и отпустить кнопку. Секущая плоскость пройдет перпендикулярно экрану через точку, где была нажата кнопка мыши и через точку, где она была отпущена.

Чтобы увидеть полученное сечение, нужно повернуть изображение детали.

Чтобы вернуться к обычному изображению (без сечения), нужно еще раз нажать кнопку .

Нужно провести горизонтальную секущую плоскость через ось шпинделя. При этом не нужно задавать ее расположение абсолютно точно, т. к. небольшие отклонения ее от номинального расположения не внесут существенной погрешности в результаты расчета.

П осле того, как плоскость проведена, нажимаем кнопку , чтобы увидеть вид сверху (рис. 7).

Выделяем в окне Object View строку Word X component Shape (смещения по оси X).

Чтобы определить смещение по оси X в точке A₁, нужно подвести указатель мыши к этой точке. При этом в нижнем правом углу окна программы (в строке статуса) будет отображаться величина смещения этой точки по оси X:

X_A1 = 3,66*10^-6м.

Аналогично получаем

X_A2 = 0,87*10^-6м;

X_B1 =-0,31*10^-6м;

X_B2 =-0,52*10^-6м.

Выделяем строку Word Y component Shape, определяем смещения по оси Y:

Y_A1 = 1,68*10^-6м.

Y_A2 = 2,82*10^-6м;

Y_B1 =-0,54*10^-6м;

Y_B2 =-0,38*10^-6м. Рис. 7

В ыделяем строку Word Z component Shape, определяем смещения по оси Z:

Z_A1 =-2,79*10^-6м.

Z_A2 =-4,03*10^-6м;

Z_B1 =-0,53*10^-6м;

Z_B2 =-0,37*10^-6м.

Аналогично определяем смещения точек A₃, A₄, B₃, B₄. Проводим вертикальную секущую плоскость через ось шпинделя. Нажимаем кнопку , чтобы увидеть вид справа (рис. 8).