Введение к работе
Актуальность темы. Совершенствование тяжелого, транспортного и энергетического машиностроения связано с увеличением количества точных крупногабаритных деталей, технологические процессы изготовления которых включают целый ряд фрезерных и расточных операций.
Это определяет необходимость существенного улучшения выходных ха
рактеристик тяжелых фрезерно-расточных станков — производительности, точ
ности и надежности. .
Производительность металлорежущих станков ограничивается, как правило, их виброустойчивостью, для оценки которой необходимо знание динамических характеристик несущей системы и станка в целом. Для повышения технологической надежности целесообразно оснащать современное сложное металлорежущее оборудование встроенными системами технического диагностирования, чтобы контролировать состояние узлов станка в процессе эксплуатации, сигнализировать о возникновении неисправностей, производить их автоматический поиск.
Таким образом, на сегодняшнем этапе развития производства перспективных видов металлорежущего оборудования, особенно тяжелых и уникальных станков, весьма актуальными становятся задачи экспериментального и расчетного определения их динамических характеристик и показателей динамического качества, разработка способов и систем технического диагностирования, обеспечение требуемых параметров производительности и металлоемкости уже на стадии проектирования.
Цель работы. Совершенствование несущих систем фрезерных станков на основе их моделирования и расчета динамических характеристик, направленное на повышение производительности и снижение металлоемкости станков.
Задачи работы. 1. Разработать методику стержневого моделирования и специальный расчетный модуль, позволяющий адаптировать стандартный пакет прикладных программ ANSYS для расчета динамических характеристик несущих систем металлорежущих станков методом конечных элементов.
-
Разработать методику расчета виброустойчивости эквивалентной упругой системы металлорежущего станка, отличающуюся от известных дифференцированным аналитическим представлением характеристики процесса резания.
-
Разработать способ и алгоритмы диагностирования элементов подвижных стыков несущей системы и привода подач по изменению динамической характеристики станка в процессе эксплуатации.
-
На примере тяжелых фрезерных станков производства УЗТС проанализировать методы экспериментального определения динамических характеристик несущей системы (нагружение вибратором, непосредственно при резании, физическое моделирование), разработать рекомендации по целесообразному применению каждого метода;
-
Выполнить расчетный и экспериментальный анализ несущих систем, скомпонованных из чугунных, сварных и полимербетонных базовых деталей, и
разработать практические рекомендации по выбору материала для изготовления базовых деталей тяжелых фрезерных станков.
6. Разработанные методики апробировать при модернизации металлорежущих станков, находящихся в производстве, а также для совершенствования новых проектов ИКТ «Комплекс-Центр» на этапе технического предложения.
Методы исследований. В работе использованы основные положения динамики станков, методы теории автоматического управления, приемлемые для анализа параметров динамического состояния систем. Результаты работы получены путем экспериментальных и теоретических исследований, а также расчетов на ЭВМ. Для анализа колебаний станков использовали аппарат теории стационарных случайных процессов. Для исследования компоновки несущей системы продольно-фрезерного станка и ее составляющих элементов использовали метод физического моделирования.
Основные научные положения, выносимые на защиту.
-
Методика стержневого моделирования и расчетный модуль (препроцессор), позволяющий адаптировать стандартный пакет прикладных программ ANSYS для расчетного анализа динамических характеристик несущих систем металлорежущих станков методом конечных элементов.
-
Способ моделирования стыка между базовыми деталями путем аналитического представления его тонким слоем материала, обладающим характеристиками реального стыка.
-
Методика расчетного определения характеристики процесса резания, позволяющая рассчитать виброустойчивость несущей системы металлорежущего станка.
-
Способ и алгоритмы диагностирования состояния элементов подвижных стыков и привода подачи стола тяжелых фрезерных станков по изменению их динамической характеристики в процессе эксплуатации.
-
Результаты экспериментального исследования абсолютных колебаний узлов несущей системы продольно-фрезерных станков моделей УФ0747 и УФ0600, полученные при резании, и результаты исследования жесткости и динамических характеристик станка модели УФ0600 на физических моделях.
6. Рекомендации по применению базовых деталей тяжелых фрезерных
станков, изготовленных из полимербетона и сваркой стального проката.
7. Результаты расчетного анализа и рекомендации по улучшению конструк
ций металлорежущих станков производства «Комплекс-Центр» - УЗТС мод.
КРС2791, РФС6992, 6532МК, СПК6675, специального рельсофрсзерного поезда
мод. РФПМ-1. <
Научная новизна. . 1. Разработан специальный расчетный модуль (препроцессор) для определения динамических характеристик несущих систем металлорежущих станков методом конечных элементов, адаптированный к стандартному пакету прикладных программ ANSYS.
2. Предложен новый способ расчетного моделирования стыка между базовыми деталями металлорежущего станка путем представления его тонким слоем материала, имеющим характеристики реального стыка.
-
Разработана методика определения жесткостных параметров подвижных стыков с использованием коэффициента жесткости стыка, учитывающего увеличение упругих перемещений в результате влияния местных деформаций.
-
Предложен способ и разработаны алгоритмы диагностирования состояния элементов подвижных стыков несущей системы и привода подачи стола тяжелых фрезерных станков по изменению его динамической характеристики в процессе эксплуатации.
-
Разработана методика определения характеристики процесса резания, позволяющая представить податливость зоны резания суммой трех составляющих: податливости материалов заготовки и режущего инструмента и контактной податливости между ними.
Практическая полезность.
-
Разработаны метод и программа расчета динамических характеристик несущих систем металлорежущих станков с помощью стержневого моделирования.
-
Разработаны рекомендации по выбору параметров элементов несущей системы продольных фрезерно-расточных станков и ползунковой бабки, обеспечивающие повышение их динамического качества и снижение металлоемкости.
-
Разработана методика определения виброустойчивости фрезерных станков, в которой учтена характеристика процесса резания.
-
Разработаны рекомендации по рациональной области применения различных методов экспериментального исследования несущей системы металлорежущих станков (с применением вибратора, непосредственно при резании, с использованием физического моделирования).
-
Разработаны рекомендации по практическому применению базовых деталей тяжелых фрезерных станков, изготовленных из полимербетона и полученных сваркой из стального проката.
Реализация результатов.
Рекомендации по конструированию базовых деталей и компоновке связей несущей системы учтены при проектировании новой гаммы продольных фрезерно- расточных станков производства УЗТС.
Методики определения и анализа дипамических характеристик' несущих систем металлорежущих станков и расчета их виброустойчивости используются в конструкторской практике организации «Комплекс — Центр».
Разработаны рекомендации по улучшению конструкции металлорежущих станков производства «Комплекс - Центр» - УЗТС моделей КРС2791, РФС6992, 6532МК, СПК6675 и др.
Апробация работы. Результаты диссертационной работы докладывались на всесоюзной научно- технической конференции (НТК) «Динамика станков» в г. Куйбышеве (1984), всесоюзной НТК «Динамика станочных систем гибких автоматизированных производств» в г. Тольятти (1988), всесоюзной НТК «Наука-производству» в г. Набережные-Челны (1990), международной НТК «Проблемы качества и надежности машин» в т. Могилеве (1994), республиканской НТК «Механика машиностроения» в г. Набережные Челны (1997), международной НТК «Математическое моделирование физических, экономических, технических, социальных систем и процессов» в г. Ульяновске (2001), международной
научно-технической интернет-конференции «Фундаментальные и прикладные проблемы технологии машиностроения» в г. Орле (2002), всероссийской НТК «Актуальные проблемы конструкторско-технологического обеспечения машиностроительного производства» в г. Волгограде (2003), международных НТК «Материалы и технологии XXI века» в г. Пенза (2004) и «Динамика технологических систем» в г. Саратове (2004).
Публикации. По теме диссертационной работы опубликованы 60 работ, в том числе 17 публикаций в центральных и отраслевых изданиях и журналах, 6 авторских свидетельств и 1 патент на изобретения.
Структура и объем работы. Работа состоит из введения, семи глав, заключения, списка литературы (142 наименования) и трех приложений. Общий объем диссертации 343 страницы, включая 243 рисунка и 63 таблицы.
