Определение динамических показателей качества сварных базовых конструкций металлорежущих станков

Порхунов С.Г. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ДИНАМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА СВАРНЫХ БАЗОВЫХ КОНСТРУКЦИЙ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ

В настоящее время, когда выпуск металлорежущих станков осуществляется единичными или мелкосерийными партиями. Актуальной является проблема перевода базовых деталей станков с литого на сварное исполнение, так как сварные конструкции обладают по сравнению с первыми рядом важных техникоэкономических преимуществ: меньшей массой, металлоемкостью и себестоимостью изделий, сроком их

изготовления.

Так же сварные конструкции обладают более высокой жесткостью при кручении и изгибе, чем литые, что положительным образом сказывается на производительности резания и точности обработки, как показали результаты ряда испытаний. Так, сравнительные динамические и статические исследования литой и сварной стоек тяжелого вертикально-фрезерного станка, проведенные в Ульяновском ГСКБ тяжелых и фрезерных станков [2], показали, что изгибная жесткость обеих стоек примерно одинакова, жесткость на кручение сварной стойки в пять—семь раз выше, чем литой; амплитудо-фазочастотные характеристики имеют примерно одинаковый вид, однако у станка со сварной стойкой пик динамической податливости в 1,3 раза ниже, а степень демпфирования выше.

Повышенная демпфирующая способность чугуна, определяемая формой, величиной и расположением графитных включений, считается его основным преимуществом по сравнению со сталью при производстве металлорежущих станков. Однако это преимущество исчезает при сравнении сварных и литых конструкций. Демпфирующая способность сварных соединений намного больше чем собственное демпфирование материала [3], так как зависит от формы и технологических факторов (типа шва, его расположения относительно действующей нагрузки, способа сварки и т. д.).

Из приведенных данных следует, что при применении необходимых конструктивных и технологических приемов, в частности, используя прерывистые швы вместо непрерывных, для соединения не несущих элементов (ребер, перегородок и др.), можно обеспечить коэффициент поглощения колебаний, равный или больший, чем у литых конструкций. Таким образом, результаты исследований [2, 3, 5] свидетельствуют о том, что меньшая демпфирующая способность стали не оказывает отрицательного влияния на виброхарактеристику станка.

Особенно возрастает значение сварных конструкций при проектировании совершенно новых моделей станков и автоматических линий с ЧПУ. Однако низкий уровень технологии сварочного производства на станкостроительных заводах, недостаток опыта у конструкторов-станкостроителей (в результате чего не всегда удается получить рациональные сварные конструкции) сильно тормозят перевод базовых деталей на сварное исполнение.

В связи с этим, основная задача, возникающая в процессе проектирования сварных базовых конструкций, состоит в разработке экспериментально подтвержденной методики, которая могла бы автоматизировать процесс конструирования, и позволяла бы получать базовых детали с минимальной металлоемкостью.

Данная методика должна основываться на использовании для расчета метода конечных суперэлементов (МКСЭ), данный метод изложен в работах [1, 4].

Узловые перемещения, матрица узловых сил и матрица жесткости суперэлемента имеют следующий вид [4]:

"Vе" ; Р = Ре + ~ра~ ; к = ка кь

_ V) _ V Р \ а V кТ к0 _

где Vе - матрица-столбец, в которой перечисляются перемещения всех внешних узлов, а У0 - матрица-столбец, в которой перечисляются перемещения всех внутренних узлов.

Однако метод конечных суперэлементов требует большого объема вычислений и в общем случае не дает экономии, по сравнению с разбиением всех фрагментов на мелкие элементы, и решения задачи за один этап. Но податливость сварных швов обычно больше, чем у соединяемых деталей, поэтому замена их в расчете жестким или шарнирным соединением элементов существенно снижает точность решения на соответствующем этапе. Область рационального применения суперэлементов — задача с большим количеством одинаковых фрагментов. Для сварной конструкции таким однотипным фрагментом является участок сварного шва с прилегающими частями деталей. Как правило, в конструкции присутствует всего несколько отличающихся по поперечному сечению типов сварных швов

Целью исследования, которому посвящена данная работа, является разработка математической модели корпуса узла сверления агрегатного станка. Узел сверления рисунок 1 состоит из рамы на которой устанавливается корпус с закрепленными на нем двумя вертикальными стойками на которых установлены силовые столы с сверлильными бабками.

Рис. 1. Общий вид исследуемого корпуса и модель несущей системы агрегатного станка

При сварке корпуса использовались только тавровые и нахлестовые сварные швы. Материал свариваемых листов - Сталь 3пс. Для определения деформированного состояния корпуса был использован МКСЭ. Нахлестовые и тавровые соединения с угловыми швами были смоделированы в виде СЭ. Данные СЭ позволяют учитывать не только сам сварной шов, но и околошовную зону.

Рис. 2. Диаграмма перемещений корпуса на первой критической частоте.

На рис. 2 представлена диаграмма, показывающая значение полных перемещений возникающих в корпусе на первой критической частоте. Расчет производился в программном комплексе NX Nastran. Для подтверждения результатов, полученных с помощью МКСЭ, были произведены экспериментальные исследования. Общий вид экспериментальной установки показан на рисунке 3. Замеры перемещения производились в 4 8 точках, расположенных в четырех плоскостях параллельных плоскости основания. Для сравнения опытных данных с данными моделирования воспользовались дисперсионным анализом, в ходе которого было выяснено, что расчётное значение критерия Стъюдента t = 0,98. Предельное значение t для критической области tgp= 1, 796 (для v = 47, уровень значимости 0,9). Исходя из этого tKp > t, и нулевая гипотеза принимается, т.е. средние значения генеральной совокупности попарно совпадают и, следовательно, результаты теоретических и экспериментальных исследований практически не отличаются друг от дру-

Вибро-акустическая система

РАК Mobile МКП Ноутбук

Рис. 3. Оборудование применяемое для замера характеристик вибраций исследуемого корпуса. ВЫВОДЫ

На основании выполненных результатов теоретических и экспериментальных исследований, можно рекомендовать применение метода конечных элементов в форме метода суперэлементов для расчета динамических показателей качества сварных базовых конструкций металлорежущих станков. Использование данного метода позволяет создавать специальные элементы, учитывающие особенности сварных швов, но не содержащие внутренней сложной структуры, что является мощным средством обеспечения максимальной точности решения сложных задач при минимальных затратах ресурсов ЭВМ.

ЛИТЕРАТУРА

1. Галанин М.П., Савенков Е.Б. Совместное использование метода конечных элементов и метода конечных суперэлементов. // Препринт ИПМ им. М.В. Келдыша РАН. 2004. № 13. - 34 с.

2. Кирилин Ю. В. и др. Сварная стойка для тяжелого вертикально-фрезерного станка. — «Станки и инструмент». 198 0 № 2.

3. Мазур А.А. Конструкционные материалы для сварных станин металлорежущих станков.—Науч.-техн.

c6. «Технология производства. НОТ и У». М, НИИмаш, 1979, № 5.

4. Образцов И.Ф., Савельев Л.М., Хазанов Х.С. Метод конечных элементов в задачах строительной

механики летательных аппаратов. М.: Высшая школа, 1985. - 392 c.

5. Ясуи. Т, Сварные конструкции в металлорежущих станках, — «Нихон кикай гаккайси», 1978, т.

81, № 715, с, 501—506. (Перевод № Б-14206).