НИР: Проектирование и расчет несущей системы станка с ЧПУ

ВВЕДЕНИЕ

В современном машиностроении постоянно растет требование к точности и качеству изготовляемых деталей, а использование труднообрабатываемых материалов ставит задачу эффективного использования режущего инструмента, в совокупности эти характеристики оказывают влияние на производительность и ограничиваются как правило виброустойчивостью станка, для оценки которой необходимо знание динамических характеристик несущей системы.

Несущая система состоит из базовых деталей, таких как станина, шпиндель, корпусные детали и стыков между ними. Которые должна соблюдать следующие требования в процессе срока службы станка: точность изготовления и соблюдение требований к поверхности и формы деталей и узлов станка для обеспечения требуемой точности станка. Долговечность – сохранение первоначальной точности станка в течении заданного срока эксплуатации, высокая жесткость базовых деталей и стыков между ними, высокие демпфирующие свойства, противодействующие колебаниям инструмента и заготовки, малые температурные деформации, которые вызывают относительное изменение положение инструмента и заготовки в процессе резания.

Несущая система станка образуется совокупностью элементов станка, через которые замыкаются силы, возникающие между инструментом и заготовкой в процессе резания. К элементам несущей системы, рассматриваемым в этой работе, относятся станины станков.

Несущие системы станков должны обеспечивать и сохранять в течение срока службы станка возможность обработки с заданными режимами и требуемой точностью. Исходя из этого, основными критериями работоспособности несущей системы являются жесткость, а также виброустойчивость в смысле обеспечения возможности устойчивой работы станка при заданных режимах и ограничения уровня амплитуд вынужденных колебаний допустимыми пределами.

10. Исследовательская часть

10.1. Несущая система металлорежущего станка с ЧПУ

10.1.1. Несущая система металлорежущего станка и ее элементы

Несущая система – комплекс деталей и узлов станка между инструментом и заготовкой, который обеспечивает правильное взаиморасположение под нагрузкой в процессе резания. Таких как шпиндельный узел, базовые детали (станина, основание, стойка, стол, планшайба, ползуны, суппорты, каретки, и т.д.) и стыки подвижные и неподвижные) между ними.

Элементы несущей системы по массе составляют 80-85% от массы станка. Поэтому экономия металла в машиностроении наиболее эффективна в направлении снижения массы именно этих деталей, и вопросы расчета и оптимального конструирования несущих систем имеют первостепенное значение.

Требования к несущей системе:

• Точность изготовления и соблюдение требований к поверхности и формы деталей и узлов станка для обеспечения требуемой точности станка.
• Долговечность – сохранение первоначальной точности станка в течении заданного срока эксплуатации.
• Высокая жесткость базовых деталей и стыков между ними.
• Высокие демпфирующие свойства, противодействующие колебаниям инструмента и заготовки.
• Малые температурные деформации, которые вызывают относительное изменение положение инструмента и заготовки в процессе резания.

Жесткость несущей системы характеризуют следующие параметры: масса или момент инерции деталей, жесткость упругих элементов, силы неупругого сопротивления, связанными главным образом с трением в соединениях, связями между перемещениями масс в системе с многими степенями свободы.

Рассматриваемые элементы несущих систем могут быть укрупнено разделены на следующие группы:

• станины и основания;
• корпусы шпиндельных бабок и коробок передач;
• детали узлов для поддержания и перемещения инструмента и изделия.

Основными материалами для изготовления станин служат чугун (для литых станин) и низкоуглеродистые стали (для сварных станин). Наиболее распространены чугунные литые станин вследствие широких возможностей получения из чугуна требуемых (иногда весьма сложных) геометрических форм и относительно невысокой стоимости литых станин при серийном изготовлении, в котором стоимость модельного комплекта раскладывается на значительное количество отливок.

При одинаковых формах сварных и литых станин одинаковая общая жесткость обеспечивается при толщине стенок сварных станин примерно в два раза меньшей, чем литых.

К тонкостенным сварным станинам относят станины, у которых толщина стенок отличается от толщины соответствующих литых более чем в 1,5...2 раза. Тонкостенные станины станков средних размеров имеют толщину стенок 3...6 мм. Они технологически сложнее, чем толстостенные, но позволяют получить максимальную экономию металла.

Технологические возможности изготовления сварных станин с замкнутым контуром сечения элементов и большим количеством сплошных перегородок обычно значительно шире, чем у литых.

10.1.2. Конструкция станины

По условиям нагружения стойки разделяются на нагружаемые силами в плоскости симметрии (стойки станков типа сверлильных) и нагружаемые с пространственной нагрузкой (стойки фрезерных, расточных, продольнострогальных, карусельных и других станков).

Форма сечения станины определяется главным образом условиями жесткости. Основные типы сечений стоек приведены на рис. 10.1.

Рисунок 10.1. Основные типы сечений станины

Перегородки и ребра:

В стойках относительно большой высоты (существенно большей размеров сечения), если в них нет поперечных перегородок (сплошных или с окнами небольших размеров), при пространственной нагрузке, действующей на стойку, возникают значительные деформации искажения контура сечения. Поэтому в том случае, если внутри стойки не размешается груз, уравновешивающий массу подвижных узлов, стойку целесообразно выполнять с поперечными перегородками, а при необходимости размещения противовеса – с высокими ребрами.

Минимальное количество перегородок, практически обеспечивающее отсутствие искажении контура, при котором расстояние между перегородками примерно равно 2/3 длины контакта стойки и элемента, передающего нагрузку на стойк.

Для повышения жесткости контура сварных стоек, внутри которых размещаются противовесы, стенки можно выполнить двойными, как бы из панелей, имеющих две стенки, соединенные перегородками. Жесткость контура сечения стоек с двойными стенками значительно выше, чем жесткость стоек со сплошными толстыми стенками того же веса. Однако и в сварном исполнении введение достаточного количества перегородок оказывается все же значительно более эффективным, чем выполнение стенок двойными.

Окна в стенках:

Для монтажа электродвигателей, электроаппаратуры и отдельных механизмов станка, стойки приходится делать с окнами. Влияние окон на жесткость определяется их размерами и расположением. Максимальное влияние на жесткость изгиба оказывают окна, расположенные в стенках, перпендикулярных плоскости изгиба. При кручении окна в узких стенках значительно больше влияют на жестокость, чем окна в широких стенках. С увеличением размеров окна жесткость кручения резко падает. Ширина окон по возможности не должна превышать 0,7 B, а длина (измеряемая вдоль оси стойки) – (1,0...1,2) В, где В – ширина соответствующей стенки стойки

10.2. Расчет статических и динамических характеристик несущей системы станков с ЧПУ

В настоящее время при создании сложных технических объектов все большее внимание уделяется внедрению систем инженерного анализа. Системы компьютерного инженерного анализа позволяют оценить принципиальную работоспособность и соответствие заданным требованиям будущей конструкции, а также они нашли широкое применение при моделировании технологических процессов металлообработки, ковки и штамповки, литья металлов и пластмасс.

В данном проекте использовался один из наиболее распространенных в нашей стране CAE пакет ANSYS.

Программa ANSYS - это гибкое, надежное средство проектирования и анализа. Она работает в среде операционных систем самых распространенных компьютеров - от ГС до рабочих станций и суперкомпьютеров. Особенностью программы является файловая совместимость всех членов семейства ANSYS для всех используемых платформ. Многоцелевая направленность программы (т.е. реализация в ней средств для описания отклика системы на воздействия различной физической природы)позволяет использовать одну и ту же модель для решения таких связанных задач, как прочность при тепловом нагружении, влияние магнитных полей на прочность конструкции, тепломассоперенос в электромагнитном поле. Модель созданная на ГС, может использоваться на суперкомпьютере. Это обеспечивает всем пользователям программы удобные возможности для решения широкого круга инженерных задач.