Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Международный научно-исследовательский журнал публикации ВАК
Научные направления
Поделиться:
Срочные публикации в журналах ВАК и зарубежных журналах Скопус (SCOPUS)!




Разделы: Машиностроение
Размещена 29.07.2014.

Обеспечение виброустойчивости вертикально-фрезерного станка с ЧПУ с применением средств Solid Edge

Авдеев Илья Вячеславович

Набережночелнинский институт Казанского Федерального Университета

студент

Научный руководитель: к.т.н., доцент Хусаинов Рустем Мухаметович


Аннотация:
Статья посвящена вопросам обеспечения виброустойчивости вертикально-фрезерного станка с ЧПУ. Рассматривается методика анализа вибраций и модернизации несущей системы станка в САПР Solid Edge ST6.


Abstract:
This article is devoted to a problem of chatter stability of a CNC vertical milling machine. Also considered the methods of vibrations analysis and frame system modernizations with the Solid Edge ST6 CAD system.


Ключевые слова:
конечно-элементный анализ; несущая система; станок; вибрации

Keywords:
finite element analysis; frame system; machine tool; vibrations


УДК 67.05

Для выполнения проекта была выбрана система Solid Edge, ввиду высокой функциональности, быстродействия, нетребовательности к ресурсам. Solid Edge, являясь предшественником САПР NX, оперирует схожими модулями проектирования и инженерного анализа.

Основным требованием к объекту исследования является высокая жесткость и виброустойчивость конструкции. Только достаточно жесткий станок может обеспечивать необходимую точность и качество обрабатываемых поверхностей, а также производительность обработки. Вибрации станка вносят значительный вклад в снижение качества обрабатываемой поверхности, износ инструмента и в надежность работы станка, так что к обеспечению виброустойчивости следует подходить с повышенной ответственностью. Одним из аспектов виброустойчивости является отсутствие совпадения собственных и возмущающих частот. Возмущающие частоты определяются источниками вибраций. В данной работе в качестве возмущающего фактора рассматривается радиальное биение шпинделя. Собственные частоты определяются характеристиками массы и жесткости отдельных элементов конструкции станка. Эти частоты удобно определять путем построения и исследования конечно-элементной модели несущей системы станка, чему в основном и посвящен проект.  

Для снижения вибраций необходимо:

1) Локализовать источники вибраций, определить их частоты.

2) Определить собственные частоты станка.

3) Сравнить собственные и возмущающие частоты.

4) При необходимости разнести собственные и возмущающие частоты, изменяя для этого режимы резания, технологическую оснастку или конструкцию станка.

Для минимизации временных и экономических затрат вместо создания прототипов несущей системы мы будем рассматривать в качестве объекта исследования твердотельную модель несущей системы станка. Суть проекта заключается в предварительной оценке уровня вибраций и его коррекции средствами трехмерного моделирования и конечно-элементного анализа (FEA)

Для решения этой задачи применялись инструменты Solid Edge ST6:

1) Трехмерное моделирование

2) Симуляция, в частности, модальный анализ.

Непосредственной целью работы является отстройка несущей системы станка от резонансных режимов резания, что напрямую скажется на улучшении качества обработки.

Расчетная модель включает в себя следующие узлы (рис. 1):

 

Рисунок 1 – Несущая система станка

1) Станина, 2) Стойка, 3) Салазки, 4) Рейка, 5) Стол, 6) Заготовка, 7) Каретка, 8) Шпиндельная бабка, 9) Шпиндель, 10) Рукав шпинделя, 11) Патрон, 12) Фреза.

 

Для построения расчетной схемы были построены детали несущей системы, вспомогательного и режущего инструмента, а также заготовки. Далее была осуществлена их сборка с учетом характера соединений. Также было введено ограничение, имитирующее установку станины на нескольких опорах. Для расчета собственных частоты был использован модальный анализ. Для его проведения, в частности, была построена конечно-элементная сетка. В результате симуляций мы получили следующие значения собственных частот и форм колебаний:

 

Рисунок 2 - Мода 1: 45 Гц.



Рисунок 3 - Мода 2: 46 Гц.

Рисунок 4 - Мода 3: 96 Гц.         



Рисунок 5 - Мода 4: 139 Гц.

 

Одновременно были рассчитаны возмущающие частоты. Поскольку в данном исследовании изучались вибрации от радиального биения шпинделя и фрезы, диапазон возмущающих частот был ограничен следующими значениями:

Минимальная частота возмущающих колебаний:

ƒmin = nmin/60 = 100/60 = 1,67 Гц ;                                  1)

где nmin – минимальная частота вращения шпинделя.

Максимальная частота возмущающих колебаний:

ƒmax = nmax/60 = 3000/60 = 50 Гц;                            2)

где nmax – максимальная частота вращения шпинделя.

 

 

Рисунок 6 – Сравнение собственных и возмущающих частот.

 

Как видно из графика, возмущающие резонансные колебания появляются при работе на частотах вращения шпинделя 2700-3000 об\мин.

Во избежание появления резонансных режимов было решено модернизировать конструкцию станка.

По формам колебаний видно, что нижние собственные частоты определяются характеристиками стойки. Поэтому было решено увеличить ее жесткость за счет введения в модель наружных и внутренних ребер жесткости и применения задней плиты.

 

    


Рисунок 7, 8 – Модернизация станка.

 

В результате расчета были получены следующие частоты и формы колебаний:



Рис. 9 – Мода 1: 57 Гц;                



Рис. 10 – Мода 2: 61 Гц;




Рис. 11 – Мода 3: 183,5 Гц;         



Рис. 12 – Мода 4: 199 Гц.

Новый график собственных и возмущающих частот:

 

 

Рисунок 13 – Сравнение собственных и возмущающих частот модернизированного станка.

 

По графику видно, что диапазоны собственных и возмущающих частот более не имеют совпадений, следовательно, нам удалось повысить виброустойчивость всей конструкции, что и являлось целью исследования.

Библиографический список:

1. Петрухин В.В., Петрухин С.В. Основы вибродиагностики и средства измерения вибрации. Учеб. пособие. — Вологда: Инфра-Инженерия, 2010.
2. Диденко Д. Учимся работать в Solid Edge. Руководство для начинающих пользователей. ДМК Пресс, 2009.
3. Шахнов В.А., Зинченко П.А., Соловьев В.А., Курносенко А.Е. Основы конструирования в Solid Edge.




Комментарии пользователей:

26.04.2015, 9:39 Шевляков Максим Александрович
Отзыв: В статье отсутствует информация об учёте влияния на расчеты зазоров в подвижных соединениях станка согласно конструкторской документации. На вибрацию будут напрямую влиять качество и точность геометрии деталей и их ориентация в пространстве относительно друг друга. Судя по геометрии самого станка, вертикальная стойка является еще и колонной, на которой в осевом направлении перемещается головка - если Вами выполнена доработка этой стойки на действующем станке путем установки таких массивных ребер, то неизбежно возникнет в сварных швах концентрация напряжений, что приведет к перекосу самой стойки от вертикали. Необходимо в статье уточнить - рассматривается действующий станок и его модернизация или только рабочий проект при его разработке на бумаге. В статье не рассмотрен вопрос вибраций привода - поскольку шпиндель является конечным механизмом в цепи "электродвигатель-редуктор-шпиндель", то надо рассмотреть частоты вращения всех деталей от электродвигателя до шпинделя (если частота у всех одна, что весьма сомнительно, то об этом указать надо статье).


Оставить комментарий


 
 

Вверх