Obrabotka Metallov 2013 No. 3

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ № 3 (60) 2013 56 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ Подводя итог, можно отметить, что в станко- строении направление, связанное с интегрирован- ной работой МКЭ и методов оптимизации, требует дополнительных исследований, особенно для тяже- лых и уникальных станков, отличающихся больши- ми габаритами и массой. Это связано, во-первых, со сложностью задачи – большая размерность системы, экспоненциальный рост объема вычислений при уве- личении числа переменных проектирования, отсут- ствие объективной достоверности значений весовых коэффициентов в целевой функции, невозможность использования простых балочных конечных элемен- тов при моделировании конструкций. Во-вторых, изменение в процессе оптимального поиска пере- менных проектирования (как правило, это геометри- ческие параметры конструкции) требует, чтобы дис- кретизация конструкции была проделана заново на каждом шаге. При этом МКЭ требует полной смены сетки первоначальной области для новой развиваю- щейся области, что существенно затрудняет опти- мальный поиск. За последние десятилетия широкое распростра- нение получили многоцелевые станки (МС) колон- кового типа (рис. 3) вследствие технологической способности обрабатывать деталь со всех сторон. Поворот детали в ранних моделях станков осущест- влялся цеховым краном, при этом на установку де- тали для обработки с одной стороны требовалось 0,5…3 ч. В большинстве случаев обработка поверх- ностей одной стороны детали выполняется за время, меньшее длительности смены, что приводит к насы- щенности крановых операций и снижению произ- водительности. Применение поворотно-подвижных столов позволяет устранить указанные недостатки. Деталь устанавливается на поворотную часть (пал- лету) стола и необходимая точность ее положения относительно станка обеспечивается разворотом по- воротной части. Целью настоящей работы является рассмотрение перспективных разработок по совершенствованию оптимального проектирования несущих конструк- ций тяжелого МС для обработки корпусных деталей массой до 200 т (рис. 3). Масса серийного станка равна 380 т, длина, ширина, высота соответствен- но 21,9×16,5×10,9 м. Структурно МС имеет две не связанные между собой части – собственно станок и поворотно-подвижный стол, размещаемые на еди- ном фундаменте. Это дает возможность на началь- ном этапе проектирования рассматривать станок и стол раздельно. 1. Теория и методы 1.1. Выбор целевой функции Основной вопрос при постановке задач опти- мизации – выбор целевой функции. В качестве целевой функции могут быть выбраны технико- экономические показатели станка: его производи- тельность, точность обработки, масса, экономиче- ские показатели и др. Данные показатели являются конфликтными, так как улучшение одних показате- лей приводит к ухудшению других. Так, увеличение массы и, следовательно, повышение стоимости мо- гут быть вызваны увеличением жесткости конструк- ции для получения большей точности и увеличения производительности механической обработки. За- дачи такого типа, в которых качество конструкции требуется оценивать и улучшать по нескольким по- казателям одновременно, являются задачами много- критериальной оптимизации. Однако ранее было показано, что в литературе [9–11] имеются примеры успешного применения однокритериальной опти- мизации при проектировании станков. В этой связи исследуем возможные варианты целевой функции на основе анализа технико-экономических показа- телей станков применительно к проектированию их несущих конструкций. 1. Производительность механической обработки чаще всего оценивают объемом металла, снимаемого в единицу времени цикла использования инструмен- та (объемная производительность): П = V /( T + τ см ), (1) где V – объем припуска, снятого за цикл использова- ния инструмента (мм 3 ); T – период стойкости инстру- мента; τ см – время смены инструмента. При проектировании несущих конструкций стан- ка, т. е. силовых конструкций, целесообразно исполь- зовать П, положив τ см = 0, так как время смены ин- Рис. 3. Тяжелый многоцелевой станок сверлильно-фрезерно-расточной группы с поворотно-подвижным столом для обработки корпусных деталей массой до 200 т