Введение 3
Глава 1. Обзор и анализ научно-технической информации 5
1.1 Несущая система металлорежущего станка и ее элементы 5
1.2 Расчет и моделирование базовых деталей несущей системы металлорежущего станка 6
1.3 Расчет и моделирование стыков базовых деталей несущей системы 15
1.4 Моделирование несущей системы металлорежущего станка 17
1.5 Способы программной реализации метода конечных элементов для решения статических и динамических задач механических систем 26
1.6 Виброустойчивость процесса фрезерования 27
1.7 Выводы 36
2. Разработка расчетной модели несущей системы фрезерного станка 40
2.1 Подготовка исходных данных для расчета в NASTRAN 40
2.2.1. Экспериментальное исследование стойки фрезерного станка 49
2.3 Моделирование стыков базовых деталей 60
2.4 Выводы 63
3. Исследование статических и динамических характеристик фрезерных станков 65
3.2 Выводы 74
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 77
Список используемых источников 79
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.
Жесткость несущей системы характеризуют следующие параметры [1]: 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.
Жесткость стыков базовых элементов деталей оказывает влияние на суммарную погрешность обработки, в следствии контактных деформаций, которые зависят от качества сопрягаемых поверхностей. При этом рассматривают не только отклонение от идеальной плоскости, но и характер этих отклонения. Доля на такие деформации составляет около 30-70% от всех упругих перемещений.
Несущая система фрезерного станка составляет порядка 80 - 85 % от всей массы станка, поэтому расчет массы несущей системы при проектировании станка оказывает большое влияние на его цену.
В связи с этим вопросы рационального проектирования несущей системы для обеспечения требуемого динамического качества станка и его виброустойчивости при минимальном расходе металла имеют актуальное значение.
Опубликовано огромное количество работ, посвященных расчету базовых деталей и несущей системы станка, которые отличаются степенью сложности и позволяют выполнить статические или динамические расчеты. Более детально рассмотрены методы стат. анализа для расчета несущей системы станка как всей системы, так и отдельных базовых деталей.
На основе вышесказанного для достижения динамического качества станка и виброустойчовости необходимо спроектировать такую несущую систему, которая будет сохранять жесткость на всем сроке службы станка, при минимальном расходе металла, для достижения данной цели необходимо решить следующие задачи:
• Разработать расчетную модель несущей системы фрезерного станка, которая позволяет провести расчет динамических характеристик с учетом базовых деталей и стыков между ними
• Разработать методику подготовки исходных данных для построения расчетной модели.
• Разработать методику моделирования стыка базовых деталей для построения расчётной модели.
• Доказать адекватность предложенной методики, сравнением с экспериментальными данными
• Провести расчет виброустойчивости станка в процессе резания.
В результате проведенного анализа научной литературы по исследованию динамических характеристик станка позволяет сделать заключение о эффективности метода конечных элементов. Однако в статьях приведены методики не позволяющие построить адекватную расчетную модель без проведения экспериментальных исследований, что значительно сокращает эффективность методов в проектировании нового МРС.
На основе рассмотренных работа была разработана методика моделирования несущей системы фрезерного станка позволяющая провести расчет статических и динамических характеристик с учетом параметров стыка и базовых деталей.
В процессе выполнения работы получены следующие выводы:
1. Разработанная методика позволяет разработать расчетную модель базовых деталь и использованием методов твердотельных и оболочковых конечных элементов.
2. Методика моделирования стыка базовых деталей в виде тонкого слоя материала позволяет с достаточной точностью определить деформации стыка, о чем свидетельствует сравнение расчетов с экспериментальными данными станка мод. 654, где погрешность расчета составила 14%. Предложенная методика позволяет сократить время на подготовку исходных данных за счет использования исходных данных стыков с аналогичными условиями контакта.
3. Расчетную модель можно значительно упростить за счет использования оболочковых конечных элементов, а опоры станка представлять в виде пружинных элементов прикрепленные к станине станка в одной точке.
4. Расчеты динамических параметров станка мод 654 позволил сделать вывод о адекватности методики, так отклонение от экспериментальных данных по расчету резонансной частоты и динамической податливости в среднем составило15,6%.
5. Предложенная методика позволяет снизить время на проектирование нового МРС примерно на 14%, что позволяет сделать заключение о её эффективности.
