Obrabotka Metallov 2011 No. 3

ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ № 3 (52) 2011 30 ОБОРУДОВАНИЕ. ИНСТРУМЕНТЫ а б Рис. 4. Исходное ( а ) и деформированное ( б ) состояния НС станка Конечно-элементная модель несущей системы станка (рис. 4, а ) содержит пластинчатые конечные элементы для моделирования стойки, корпуса шпин- дельной бабки и станины; шпиндель моделируется стержневым конечным элементом. Перемещения в зоне обработки складываются из перемещений в со- единениях (используется стержневая модель шерохо- ватости поверхности) и собственных упругих пере- мещений несущей системы. Расчёт ведется на основе модели (1)–(4). Эффективным считается вариант несу- щей системы с наименьшей массой и перемещениями в зоне обработки, не превышающими допускаемых. Для решения задач с интегрированной работой МКЭ и методов оптимизации использовалось автор- ское программное обеспечение [8]. Часть результатов (после 2007 года) получена с использованием системы проектирования SolidWorks (создание геометрических моделей) и программного комплекса ANSYS (конечно- элементный анализ модели). Так, при оценке контакт- ных деформаций геометрическая модель конструкции создавалась в системе проектирования SolidWorks, а конечно-элементный анализ модели проводился сред- ствами комплекса ANSYS при использовании модели соединения Frictionless ANSYS (рис. 5, 6). Данная мо- дель дает практически такой же результат, как и стерж- невая модель шероховатости поверхности [9]. В табл. 1 приведены основные результаты расчётов НС станка в зависимости от условий эксплуатации. На рис. 4, б показано деформированное состояние НС станка. Вариант НС станка, полученный в результате Рис. 5. Моделирование стыков на стойке (шпиндельная бабка здесь прозрачна) Рис. 6. Моделирование и результаты расчета подвижного стыка «стойка – шпиндельная бабка» в ANSYS интегрированной работы МКЭ и методов оптимиза- ции, имеет меньшую массу по сравнению с серийным вариантом и его согласно принятой системе предпо- чтений следует признать лучшим. Вариант НС стан- ка, полученный только с использованием МКЭ на основе просчёта нескольких возможных вариантов, имеет увеличенную массу НС. Результаты исследования также показывают, что если при проектировании станка ориентироваться на типовые условия эксплуатации, то выигрыш по мас- се для оптимальной НС составляет около 35 %. Ак- тивным ограничением является перемещение конца шпинделя по оси y (действует максимальная состав- ляющая силы резания). Б. Моделирование отдельной несущей кон- струкции . В составе тяжелых многоцелевых стан- ков для ориентирования детали в рабочей зоне применяются поворотно-подвижные столы, вклю- чающие паллету, сани стола и станину (рис. 3). Ста- нина и сани стола испытывают главным образом де- Т а б л и ц а 1 Результаты расчёта НС станка Параметр Результаты моделирования НС станка для условий эксплуатации предельных типовых Вариант НС Серий- ный Опти- мальный МКЭ без опти- мизации Опти- мальный Размеры сечения, м: стойки шпиндель- ной бабки ползуна 2,0×2,46 1,3×2,20 0,6×0,80 1,8×2,6 1,7×2,0 0,8×0,8 2,0×2,46 1,6×2,00 0,6×0,8 1,8×2,6 1,7×2,0 0,8×0,8 Перемещения в зоне резания (расчёт/норма) по оси х по оси y по оси z 0,52 0,99 0,51 0,67 0,99 0,54 0,76 0,99 0,42 0,68 0,99 0,61 Масса, т 169,9 158,2 202,8 102,2