РАЗРАБОТКА СИНТЕГРАНОВОЙ СТАНИНЫ ДЛЯ НАСТОЛЬНЫХ ЧПУ СТАНКОВ

и инструментальная промышленность

УДК 62-932.4

РАЗРАБОТКА СИНТЕГРАНОВОЙ СТАНИНЫ ДЛЯ НАСТОЛЬНЫХ ЧПУ СТАНКОВ

DOI: 10.24412/^-35807-2023-1-50-57

Воронов Р. Д., студент 3 курса ФГБОУ ВО «Тольяттинский государственный университет» по направлению «Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств», г. Тольятти

Левашкин Д. Г., доцент кафедры «Оборудование и технологии машиностроительного производства» ФГБОУ ВО «Тольяттинский государственный университет», кандидат технических наук, г. Тольятти

DEVELOPMENT OF A POLYMER GRANITE BED FOR DESKTOP CNC MACHINES

Voronov R. D., a 3-year student of "Togliatti State University " in the field of "Design and technological support of mechanical engineering production ", Togliatti

Levashkin D. G., Associate Professor of the Department "Equipment and technology of machinebuilding production"of "Togliatti State University", Candidate of Technical Sciences, Togliatti

Аннотация. Цель данной статьи состоит в теоретическом обосновании рациональности применения полимер-гранитных станин с армирующими элементами в настольных станках. В статье представлены все применяемые в разрабатываемой станине конструктивные решения, а также продемонстрированы результаты анализа конструкции настольного станка на базе разрабатываемой станины посредством математической модели. Показывается, что путем внедрения в литую синтерановую станину натянутых армирующих элементов особой формы достигается повышенная жесткость и виброустойчивость всего настольного станка в целом. Предложенное решение позволяет создавать настольные станки самых разных типов, имеющих кратно увеличенную жесткость и виброустойчивость, без кратного повышения затрат на производство. Область применения результатов — металлообработка на настольных станках. Именно в описании этого нового способа, который позволяет обеспечить повышенную точность настольных станков, и состоит научная новизна работы. Отдельно рассмотрен частный случай применения разрабатываемой станины в настольном горизонтально-фрезерном станке.

Введение

На данный момент настольные станки наиболее востребованы в условия малых и средних предприятий различной направленности, а также среди частных предпринимателей. Причиной тому служит их неоспоримое преимущество в стоимости, массе и габаритах перед крупными промышленными станками. Однако, имея кратно (или даже на порядок) меньшие массово-габаритные показатели, настольные станки менее жесткие, намного более уязвимы к вибрациям, неизбежно возникающим в их рабочей зоне при обработке материала.

Таким образом, сами исходные параметры настольных станков предопределяют их относительно низкую точность обработки и, как следствие, значительно сужают спектр их возможного применения. Одна из сфер применения настольных станков с ЧПУ — фрезерная обработка. Для того чтобы повысить жесткость динамической системы «станок—инструмент—заготовка», необходимо, в первую очередь, увеличить жесткость несущих элементов конструкции станка. Несущими элементами, в частности, являются вертикальные стойки и станина. Именно вопросу повышения жесткости в частном случае горизонтально-фрезерного настольного станка и посвящено исследование.

Annotation. The aim of this article is to theoretically justify the rationality of using polymergranite beds with reinforcing elements in table machines. The paper presents all the structural solutions used in the developed bed, and also demonstrates the results of analysis of table machine tool design on the basis of the developed bed by means of a mathematical model. It is shown that by introducing taut reinforcing elements of special shape into the cast synthetic bed, increased stiffness and vibration resistance of the table machine as a whole is achieved. The proposed solution makes it possible to create table machines of various types having multiply increased stiffness and vibration resistance without multiply increased production costs. It is in the description of this new method, which makes it possible to provide increased accuracy of table machines, that the scientific novelty of the work lies. Separately, we consider a particular case of application of the developed bed in a bench-mounted horizontal milling machine.

Ключевые слова: жесткость, виброусточи-вость, демпфирование, синтегран, полимер-гранит, настольный ЧПУ-станок, точность обработки, армирующие элементы.

Keywords: stiffness, vibration resistance, damping, syntegranite, polymer granite, CNC ta-bletop machine, machining accuracy, reinforcing elements.

Конструкция разрабатываемой станины, технология ее изготовления и теоретическое обоснование технической значимости

Итак, предложен способ достижения жесткости настольного станка, который состоит во внедрении в его синтеграно-вую станину закладных элементов особой формы в состоянии предварительного натяга. Конечно, применение в различных конструкциях элементов с предварительным натягом не является инновационным методом повышения жесткости. Но в нашем случае определяющим для новизны исследования фактором является сочетание состояния и формы армирующих элементов с самим материалом станины.

Форма, размеры закладных элементов станины и материал, из которого они изготавливаются, определяются исходя из задач, стоящих перед станком, и сил резания, возникающих при его работе. То же самое справедливо и для геометрических параметров самой станины. Так, переходя к ч астному случаю горизонтально-фрезерного станка, необходимо отметить как общую топологию и геометрию станины и ее элементов, так и их конкретные размеры. На рисунке 1 изображена модель разрабатываемой синтеграновой станины.

Как видно из модели, в станине предусмотрен продольный ход столика по ш арико-винтовой паре, электропривод для которой имеет возможность крепления кронштейном к фронтальной торцевой пластине. Для продольного перемещения столика, конечно, необходимы направляющие. Крепление пары цилиндрических направляющих в станине происходит к двум верхним боковым уголкам при помощи резьбовых отверстий в них и торцевых пластинах, на винты. Боковые уголки 50 х 50 х 5 в станине являются стандартными изделиями ГОСТ 8509—93 и имеют еще одну второстепенную функцию в конструкции. Эта функция заключается в формировании каркаса в конструкции. Остальные два направления хода в станке выполняются в конструкции стоек, а от продольного хода можно вовсе отказаться в ряде случаев, поскольку это допустимо в горизонтально-фрезерных станках.

5

Рис. 1. Трехмерная модель синтеграновой станины с армирующими элементами:

1 — синтегран; 2 — винт ШВП; 3 — отверстия для крепления стоек к станине; 4 — торцевые стальные пластины; 5 — боковые стальные уголки; 6 — наружная часть армирующих элементов станины

Портальную конструкцию стоек предлагается фиксировать на станине при помощи четырех сквозных отверстий, отмеченных цифрой 3 на рисунке 1. Эти отверстия не постоянны в диаметре, а имеют значительно больший диаметр (50 мм) в нижней части станины, для того чтобы иметь возможность физического доступа инструмента в нижнюю часть отверстия. Доступ инструмента в отверстие необходим для осуществления фиксации резьбовых стержней, являющихся частью стоечной конструкции, в задней торцевой пластине станины с помощью системы контргаек. Эти гайки в отверстии упираются в ступень сужения диаметра отверстия.

Касаясь самих торцевых пластин, нельзя не отметить их нестандартную геометрию, а именно треугольно-призматические колонны по их бокам. Эти колонны, во-первых, повышают устойчивость пластин, увеличивая контактную площадь с полом, и упрощают процесс обеспечения их взаимной параллельности при изготовлении станины. Во-вторых, устраняют концентраторы напряжений для синтеграна, поскольку благодаря им все углы полости, заливаемой синтеграном, тупые в горизонтальной плоскости. В-третьих, наличие этих колонн повышает общую массу станины, что позитивно влияет на жесткость конструкции, исходя из определения жесткости. В-четвертых, позволяют осуществлять большую величину растяжения армирующих элементов с меньшей деформацией пластин, за счет того, что фактически создают ребра жесткости для пластин в направлении действия силы сжатия стержней. В-пятых, как уже упоминалось, две колонны задней пластины служат установочной базой для стоек станка на станину. При всем этом такие треугольные призмы возможно изготовить и отдельно от пластин из квадратного проката ГОСТ, при помощи сварочных и отрезных операций, не теряя их технической значимости.

Еще одной, ключевой конструктивной составляющей разрабатываемой станины являются ее армирующие элементы. Армирующие элементы представлены в виде двух стержней, выполненных из стали 45 и имеющих эллипсоидный участок на середине их длины (рис. 2). На двух же цилиндрических участках имеется метрическая резьба (М30), необходимая для фиксации и затяга стержней на торцевых пластинах, что видно на

Рис. 2. Форма армирующего элемента станины

рисунке 1 под цифрой 6. Длина армирующих элементов на 100 мм превышает габаритные размеры самой станины, в целях обеспечения гарантии необходимой длины наружного участка для их фиксации системой контргаек на торцах станины. Также важно отметить, что в любом из участков стержня поперечное сечение — круг. Техническая значимость такой формы армирующего элемента будет рассмотрена далее.

Габариты рабочей зоны горизонтально-фрезерного станка, собранного на базе нашей станины, составляют 280 х 240 х 350 мм, что является достойным показателем в данной габаритной категории настольных фрезерных станков. Габариты станины были подобраны таким образом, чтобы обеспечить требования по размерам рабочей зоны и в то же время соблюсти баланс между количеством затрачиваемого материала, массой, которая ограничена для класса настольных станков, и жесткостью. Отталкиваясь от полученных габаритов станины и предельных сил резания, были рассчитаны и оптимальные размеры для армирующих элементов с применением «САТ1А» и других средств компьютерного моделирования. В итоге был разработан общий чертеж разрабатываемой станины, который и представлен на рисунке 3.

По части конструкции разрабатываемой станины, важно дополнить, что ее масса составляет примерно 210 кг. Масса станины может варьироваться в пределах десяти килограмм в большую или меньшую сторону при изменении состава связующего компонента синтеграновой смеси, соотношения компонентов смеси и прочих действий, приводящих к изменению плотности застывшего синтеграна [1, с. 15]. Различные физико-механические свойства синтеграна также оказывают влияние и на процесс создания станины.

Технология изготовления описанной станины начинается с предварительной подготовки поверхностей будущих торцевых пластин. Необходимо произвести фрезерование их нижних поверхностей, непосредственно контактирующих с полом, что играет роль в обеспечении их параллельности, а также поверхностей вокруг предварительно изготовленных отверстий. Речь идет как об отверстиях, в которых будут находиться армирующие элементы станины, так и о тех, что используются для фиксации стоек к станине.

После подготовки поверхностей пластин производится их фиксация для дальнейших операций. Для этого каждая из пластин закрепляется по контуру в заделке и в образованную полость между ними устанавливаются Х-образные распорки. Каждый из ее концов упирается во внутренние грани треугольных торцевых призм, пер-

V//M о 1

щ ¿///// / --- / /

80 00

500

600

'--

А

А

4 отв. 050

На 60 мм вверх от дна, далее переходить в 020

Рис. 3. Чертеж разработанной синтеграновой станины с армирующими элементами

пендикулярно им (рис. 5). Таким образом, обеспечивается взаимная параллельность торцевых пластин станины и, как следствие, соблюдение ее геометрических параметров. Далее, в обе пары торцевых соосных отверстий устанавливаются прямые стальные стержни, которые станут армирующими элементами. Эти стержни имеют утолщенный участок в центре, на котором, в свою очередь, выполнен длинный сквозной разрез вдоль осевой линии стержня (рис. 4). Именно этим участкам и придается эллипсоидная форма путем термосилового воздействия. Для этого, после установки стержней их центральные участки нагреваются докрасна, приблизительно до 500—450 °С и с помощью захвата термосиловой установки производится растяжение правой и левой половин центрального участка в направлении, перпендикулярном оси стержня. Деформация происходит до момента формирования заданной формы центрального участка. Затем осуществляется растяжение всей длины армирующих элементов вдоль их оси, уже при меньшей температуре (до 300 °С), на величину, которая предварительно рассчитана, исходя из предполагаемых сил

резания при эксплуатации. Данное растяжение также происходит путем применения термосилового воздействия с захватом его края.

Важно заметить, что полученное продольное растяжение армирующего элемента находится в области его упругой деформации, а потому имеет место постоянно действующая сила сжатия. После продольного растяжения армирующие элементы закрепляются с помощью систем контргаек на ранее зафиксированных стальных торцах. Крепление системой контргаек происходит как с наружной, так и с внутренней стороны торцевых пластин (итого в восьми местах).

4,5x45°

Рис. 4. Исходный стержень до деформационного воздействия

х:

-—-

Рис. 5. Схематичное изображение основных этапов технологии до литья

Теперь, когда армирующие элементы закреплены на пластинах, распорки и фиксаторы пластин удаляются. Далее парой деревянных досок закрываются две боковые полости станины между треугольными призмами на задней и передней пластинах. Помимо этого, в полученную конструкцию устанавливается стержневой знак, призванный обеспечить полость при литье синтегра-на, которая необходима для дальнейшей установки ШВП продольного хода в станине. Таким образом, получена замкнутая форма для литья синтеграна.

В образованную полость и производится заливка синтеграновой смеси, причем двух различных фракций. Фракция гранитной крошки в синтегране, который льется близ армирующих элементов станины и ее торцевых пластин, существенно меньше, чем фракция гранита в синтегране, льющегося во весь остальной объем. При этом важно отметить, что обе смеси льются одновременно и содержат в себе абсолютно одинаковый связующий компонент. Выполнение этих двух условий необходимо для обеспечения взаимного схватывания двух смесей и исключения фрагментарности литого синтегранового блока. Само же технологическое решение о применении в станине синтеграна двух различных фракций обусловлено опасностью появления внутренних трещин в синтегране при достаточно больших величинах сил сжатия в армирующих элементах. Этот риск может быть снижен или сведен к нулю как раз за счет изменения фракции гранитной крошки в смеси, так как при ее уменьшении возрастает плотность упаковки гранита, вместе с тем возрастает и ряд физико-механических свойств синет-грана, в том числе его предел работы на сжатие [1, с. 16]. В остальных аспектах процесс литья синтеграна прост, не требует повышенных температур, особых условий среды и дорогостоящего специализированного оборудования. Это значи-

тельно удешевляет и упрощает технологию. Схематичное изображение основных этапов технологии д о этапа литья приведено на рисунке 5. Таким образом, получена конструкция, где застывший синтегран является твердым, монолитным композитным блоком с массивными стальными торцами, а армирующие элементы жестко зафиксированы внутри него и находятся под действием сил сжатия, равных или кратно превышающих предельные силы резания при работе станка.

Конечная цель в применении предложенных конструктивных и технологических решений, повышающих жесткость, демпфирование и виброустойчивость станины, состоит в увеличении точности работы станка. А потому техническая значимость разработанной конструкции станины может быть оценена при рассмотрении системы станка, инструмента и заготовки в целом. Соответственно этому, необходимо сравнить результаты, полученные при приложении нагрузки к системе, содержащей разработанную нами станину в одном случае, и иную станину во втором соответственно.

В этой связи нами была построена математическая модель настольного горизонтально-фрезерного станка, собранного на базе разработанной нами станины. Математическая модель для нашего случая была построена, основываясь на уже верифицированных математических моделях настольных станков, в частности [2, с. 4403—4405]. Созданная нами математическая модель представлена в виде упруго-массовой системы, а описывается она восьмью нелинейными дифференциальными уравнениями, приведенными ниже:

'-m6x6 + b6( x7- x6)+сб( x7- x6) = Fp;

m4x4 + b4( X 4 - x3) + c4 (x4 - x3) = Fp;

тз- b4 (±4 - Xз) + Ьз (X3 - X2) -

- c4(x4 -x3) + c3(x3 -x2) = 0;

m2Ü2 - b3 (±3 - x2) + b2 (x2 - x1) +

+ C2 (x2 — x^) — C3 (x3 — x2 ) — 0;

m^x 1 - b2x - x 1) + bix! - C2(x2 - x1) + c1 x^ -

- c9(xi - x9) - b9(x 1 - x9) = 0;

m9 xxc 9 - b9 (x 1 - x 9) + b8 (x 9 - x8) +

+ c8(x9 - x8) - c9(x1 - x9) = 0;

m8"^8 - b8(x9 - x8) + b7(x8 - x7) -

- c8(x9 - x8) + c7(x8 - x7) = 0;

m7x7 + b6(x7 - ±6) - b7(±8 - x7) +

+ c6(x7 -x6) - c7(x8 - x7) = 0.

В данной системе уравнений: m — масса блока; х — перемещение и его производные; b — коэффициент демпфирования узла; c — коэффициент жесткости. Система уравнений также содержит параметр Fр, обозначающий силу резания, возникающую в рабочей зоне станка.

Ее расчетная схема представлена в виде блоков заданной массы, пружин определенной жесткости и демпферов, имеющих коэффициенты демпфирования. Приведена расчетная схема в двух проекциях (рис. 6).

Итак, меняя входные параметры математической модели, относящиеся к станине, при помощи программы моделирования «Simulation X» нами были получены различные показательные зависимости. В нашем случае, поскольку речь идет о жесткости и демпфировании системы, целесообразно рассмотреть зависимости перемещений, возникающих при обработке, от времени.

При кратковременном приложении силы резания в рабочей зоне станка, которая выступает в качестве возмущающей силы, в системе станка вызваны затухающие колебания. Такой подход

можно считать допустимым, поскольку необходимо лишь выявить характер реакции системы на возмущающую силу. Прикладывая силу резания величиной 700 Н последовательно, в случае использования в станке обыкновенной синтеграно-вой станины в виде литого блока без натянутых армирующих элементов и в случае использования разработанной нами синтеграновой станины, были получены графики перемещений, которые значительно отличаются друг от друга, как видно из рисунка 7.

Начальная амплитуда колебаний, вызванная одинаковой по величине силой в обоих случаях, оказалась приблизительно в 2,5 раза меньше в случае использования натянутых армирующих элементов в синтеграновой станине, что говорит о большей жесткости такой конструкции. При этом, важно отметить, что сжимающая сила в армирующих элементах была задана весьма м алой, ввиду небольшой силы резания, и не превышала 400 Н. Потенциально же, с учетом ограничений со стороны физико-механических свойств синтеграна и стали стержня, можно создавать силу сжатия

Рис. 6. Расчетная схема математической модели настольного фрезерного станка: индексация 1 — станина; индексация 2 — столик; индексация 3 — приспособление; индексация 4 — заготовка; индексация 5 — основание; индексация 6 — инструмент; индексация 7 — шпиндель; индексация 8 — фрезерная бабка; индексация 9 — стойки

Рис. 7. Графики зависимости перемещений от времени в системе настольного фрезерного станка: зеленый — используется предложенная нами станина; красный — обыкновенная литая синтеграновая станина

Рис. 8. Силы сжатия и их составляющие, действующие в армирующем элементе станины

около 4 кН. В целом, опираясь на данные графики, можно констатировать, что натянутые армирующие элементы в станине из полимер-гранита явились фактором, положительно влияющим на жесткость системы, как следствие, на точность обработки станка.

Возвращаясь к вопросу о технической значимости дугообразных участков на армирующих элементах, можно сказать, что их наличие нужно для возникновения второй составляющей у силы сжатия (рис. 8). Это позволяет компенсировать усилия не только в продольном, но и в поперечном направлениях. Конечно, величина по модулю данной составляющей гораздо м еньше, чем у продольной, но и силы резания, действующие в этом направлении при процессе фрезерования, кратно меньше.

Следующей оцениваемой характеристикой нами были обозначены демпфирующие способности самой станины. Демпфирующие свойства станины способствуют более быстрому гашению вибраций, возникающих в ней, что тоже оказывает положительное влияние на конечную точность станка.

Сам по себе синтегран по своим демпфирующим свойствам значительно превосходит чугун и тем более сталь [4, с. 98]. Для наглядности, с помощью все той же математической модели, были

приложены не равные возмущающие силы к станкам на основе разработанной синтеграновой станины и чугунной станины с армирующими элементами (рис. 9). Различные силы приложены с целью вызвать одинаковую начальную амплитуду в обеих станинах, так как в противном случае не удастся оценить демпфирующие способности, ввиду того, что колебания в случае использования разработанной синтеграновой станины затухнут раньше из-за их меньшей начальной амплитуды.

Как видно из графиков, случай применения синтеграновой станины характеризуется в три раза более быстрым затуханием колебаний в системе настольного станка, что говорит о лучших вибро-

шш

Рис. 9. Графики зависимости перемещений от времени в системе настольного фрезерного станка: синий — используется предложенная нами станина; красный — чугунная станина с армирующими элементами

Амплитуда колебаний, 10-3 мм/Н

-3-2-1 0 1 2 3

Рис. 10. АФЧХнастольного горизонтально-фрезерного станка:

оранжевая кривая — станок с предложенной синтеграно-вой станиной; черный — станок с чугунной станиной

гашущих свойствах. Таким образом, применение синтеграна является фактором, позитивно влияющим на демпфирование, уязвимость к вибрациям станка в целом и приводит к снижению металлоемкости конструкции.

Еще одной важной к рассмотрению с точки зрения эксплуатации характеристикой является виброусточивость станка. Применение синтегра-на в конструкции несущих элементов станка в общем случае приводит к повышению виброустойчивости в несколько раз [3, с. 41]. Посредствам математической модели настольного станка нами были проанализированы свойства виброустойчивости, а также влияние на них применения разработанной станины.

На приведенном изображении (рис. 10) обозначения вещественной и мнимой осей были заменены характеристиками, отражающими их

физический смысл. Как видно, использование синтеграновой станины приводит к существенно меньшей амплитуде отклонения головки станка при работе. Таким образом, применение предложенной станины в настольном горизонтально-фрезерном станке имеет смысл, в том числе и с точки зрения виброустойчивости.

Подводя итог, можно утверждать, что предложенная конструкция синтеграновой станины с натянутыми армирующими элементами особой формы имеет в себе уникальное сочетание свойств жесткости, виброустойчивости и демпфирования, обладает преимуществами по этим свойствам, а преимущество в точности обработки на станке с такой станиной зависит не только от физических свойств материала, но также от соотношения между созданной силой сжатия в армирующих элементах и действующей силой резания.

Список литературы

1. Барт В. Е., Санина Г. С., Шевчук С. А. Опыт применения синтеграна в машиностроении // ISSN 0038-9811. Станки и инструмент. — 1993. — № 1. — С. 15—16.

2. Гаврилин А. Н. Моделирование динамических процессов при механической обработке // Фундаментальные исследования. — 2015. — № 2. — С. 4403—4405.

3. Кирилин Ю. В. Применение полимербетона для изготовления базовых деталей тяжелых фрезерных станков // Вестник УлГТУ. — 2008. — № 2. — С. 41.

4. Selvakumar A., Mohanram P. V. Analysis of alternative composite material for high speed precision machine tool structures // ANNALS of Faculty Engineering Honedoara, International Journal of Engineering. — 2012. — Vol. 10. — № 2. — P. 98.