ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ

Введение. Формирование оптимальных технических характеристик металлорежущих станков на этапе проектирования является перспективной задачей станкостроения. Для ее решения, как показывает зарубежная и отечественная практика, эффективно использовать интегрирование метода конечных элементов и методов оптимизации. Цель работы заключается в обобщении основных результатов, полученных при проектировании несущей системы тяжелого многоцелевого станка сверлильно-фрезерно-расточной группы с использованием метода конечных элементов и методов условной и безусловной оптимизации. Процедура проектирования включает: 1) оптимизацию несущей системы с базовыми деталями простой геометрии (стержень, пластина, оболочка), 2) оптимизацию базовой детали для определения необходимой геометрии ее поперечного сечения, 3) динамический анализ станка в целом. Рассмотренная процедура решает задачу проектирования несущей системы многоцелевого станка при выполнении условий прочности, жесткости и минимума массы для заданных точности механической обработки и сил резания. Результаты и обсуждения. На этапе проектирования несущей системы определены адекватные габаритные размеры базовых деталей и граничные условия (силовые и деформационные) в областях их контакта. Далее исследуется отдельная базовая деталь реальной компоновки на примере стойки с выделением малого фрагмента в зоне контакта стойки и шпиндельной бабки. Показано, что расчетное поле перемещений узлов фрагмента стойки адекватно полю перемещений соответствующих узлов стойки, полученному при ее расчете в составе несущей системы. В результате оптимизации жесткость стойки на кручение повысилась на 48 %. Для исследования динамики станка построена динамическая модель и проведены сравнительные расчеты при вынужденных колебаниях станка. Для станка с оптимальными базовыми деталями имеет место уменьшение податливости на 30 % в направлении наибольшей составляющей силы резания и снижение массы на 17 % по сравнению с серийным вариантом.

1. Lull B. Statische und dynamische berechnung von werkzeugmaschinengestellen // Maschinenbautechnik. – 1977. – Vol. 26, N 1. – P. 10–13.

2. Roscher A. Berechnung der dynamischen eigenschaften von werkzeugmaschinengestellen mit hilfe der methode der finiten elemente // Maschinenbautechnik. – 1978. – Vol. 27, N 4. – P. 156–160.

3. Kameswara Rao N.S.V. Foundation design: theory and practice. – Singapore: John Wiley & Sons (Asia) Pte Ltd., 2011. – 544 p. – ISBN 978-0-470-82534-1.

4. Bhatia K.G. Foundations for industrial machines and earthquake effects // ISET Journal of Earthquake Technology. – 2008. – Vol. 45, N 1–2. – P. 13–29.

5. Haug E.J., Choi K.K., Komkov V. Design sensitivity analysis of structural systems. – Orlando, Florida: Academic Press, 1986. – 381 p. – (Mathematics in Science and Engineering; vol. 177).

6. Rao S.S., Grandhi R.V. Optimum design of radial drilling machine structure to satisfy static rigidity and natural frequency requirements // Journal of Mechanical Design. – 1983. – Vol. 105, iss. 2. – P. 236–241. – doi: 10.1115/1.3258515.

7. Reddy C.P., Rao S.S. Automated optimum design of machine-tool structures for static rigidity, natural frequencies and regenerative chatter stability // Journal of Manufacturing Science and Engineering. – 1978. – Vol. 100, iss. 2. – P. 137–146. – doi: 10.1115/1.3439401.

8. Yoshimura M., Takeuchi Y., Hitomi K. Design optimization of machine-tool structures considering manufacturing cost, accuracy and productivity // Journal of Mechanical Design. – 1984. – Vol. 106, iss. 4. – P. 531–537. – doi: 10.1115/1.3258606.

9. Atapin V.V., Kurlaev N.V. Rational design of the column of a heavy multipurpose machining center // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2016. – Vol. 126. – P. 012012. – doi: 10.1088/1757-899X/126/1/ 012012.

10. Atapin V.G., Bataev A.A. Pallet optimization of the heavy rotary table load carrying system // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2016. – Vol. 126. – P.012011. – doi:10.1088/1757-899X/126/1/012011.

11. Атапин В.Г. Расчетное проектирование несущих конструкций тяжелых многоцелевых станков // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2011. – № 3 (52). – С. 27–34.

12. Гжиров Р.И. Краткий справочник конструктора. – Л.: Машиностроение, 1983. – 464 с.

13. Дёмкин Н.Б. Контактирование шероховатых поверхностей. – М.: Наука, 1970. – 227 с.

14. Левина З.М., Решетов Д.Н. Контактная жесткость машин. – М.: Машиностроение, 1971. – 264 с.

15. Lawrence K.L. ANSYS Workbench Tutorial Release 11. – Schroff Development Corporation, 2007. – 236 p.

16. Ravindran A., Ragsdell K.M., Reklaitis G.V. Engineering optimization: methods and applications. – 2^nd ed. – New Jersey: John Wiley & Sons, 2006. – 688 p. – ISBN-10 0-471-55814-1. – ISBN-13 978-0-471-55814-9.

17. Bunday B.D. Basic optimization methods. – London: Edward Arnold Publ., 1984. – 136 p. – ISBN-13 978-0-713-13506-0. – ISBN 0-713-13506-9.

18. Каминская В.В. Основные направления развития расчетов несущих систем станков // Автоматизация проектирования и технологической подготовки производства в станкостроении. – М.: ЭНИМС, 1985. – С. 54–63.

19. Каминская В.В., Кушнир Э.Ф. Автоматизированный расчет несущих систем металлорежущих станков. – М.: ЭНИМС, 1990. – 59 с.

20. Кудинов В.А. Динамика станков. – М.: Машиностроение, 1967. – 359 с.