Особенности температурных деформаций станков с ЧПУ

Из эпюры запаса прочности следует, что коэффициент безопасности равен 0,7008, поэтому «Консультант - Simulation» на дисплее предупреждает: «Запас прочности меньше 1». Это значение свидетельствует о том, что разработанный проект является нереальным, так как прочность фермы не обеспечена.

Программа выдает рекомендацию: «Проверьте, есть ли в Вашем проекте особые точки напряжения». Реагируем на эту рекомендацию и выбираем пункт «Предложения по улучшению проекта». Уменьшаем значение сосредоточенной силовой нагрузки на ферму с 40000 Н до 28000 Н и проводим расчеты заново. По результатам расчета получаем коэффициент запаса прочности 1.

Таким образом, используя программную среду Solid Works 2015 и заложенный в ней метод итерации, можно оперативно рассчитать стержневую ферму с требуемым запасом механической прочности.

Список литературы

1. Алямовский, А. А. SolidWorks Simulation. Как решать практические задачи. — СПб.: БХВ-Петербург, 2012. — 448 с.

2. Ловыгин, А. А., Теверовский Л. В. Современный станок с ЧПУ и CAD/CAM-сис-тема. - М.: ДМК Пресс, 2012. - 279 с.

Gusev Vladimir G., Doctor of Technical Science, Professor

Yakutin Ivan, student

Vladimir State University, Vladimir, Russia

AUTOMATED DESIGN OF TRUSSES IN THE SOFTWARE

SOLID WORKS ENVIRONMENT

This article reveals the process of stress analysis, implemented in the module Simulation software product SolidWorks 2015, when designing trusses of aluminum alloy.

Keywords: strength analysis, SolidWorks, supporting farm design.

ОСОБЕННОСТИ ТЕМПЕРАТУРНЫХ ДЕФОРМАЦИЙ СТАНКОВ С ЧПУ Дибиров Сайбула Юсупович, к.т.н., доцент (e-mail: sdibirov@mail.ru);

Бахмудкадиев Нухкади Джалалович, к.т.н., доцент Дагестанский государственный педагогический университет,

г.Махачкала, Россия (e-mail: nuhkadi@mail.ru) Дудин Владимир Иосифович, к.т.н. доцент Московский технологический университет, Россия

В статье рассматриваются особенности влияния температурных деформаций многооперационных станков с ЧПУ (МС) на точность обработки основных поверхностей корпусных деталей машин.

Ключевые слова: многооперационные станки, тепловые деформации станков, точность обработки

Одним из направлений повышения эффективности применения МС является учет влияния технологических факторов на структуру технологических операций в зависимости от конструктивных особенностей, технических возможностей станков и особенно станков с числовым программным управлением. Теоретический анализ и расчет влияния технологических факторов не выявляет полного их влияния на точность обработки и структуру технологических операций. Это вызвано тем, что современное оборудование особенно МС представляет собой сложную техническую систему с нестабильными источниками нагрева, теплопередачи и теплопроводностью.

Анализ работ [1-6] по исследованию температурных деформаций металлорежущих станков, показывает необходимость изучения этого влияния применительно ко всем типам станков, и выделяют следующие пути уменьшения температурных деформаций на точность обработки на МС:

- уменьшение влияния доминирующих источников теплообразования путем их изолирования;

- улучшение теплоотдачи узлов станка путем обдува поверхностей охлаждения;

- конструктивное усовершенствование узлов станка;

- предыскажение управляющей программы;

- выбор маршрута обработки с минимальными температурными деформациями станка;

- периодическое ручное введение коррекции по показаниям контрольного датчика;

- применение устройств для автоматической компенсации погрешностей от температурных деформаций.

Первые три пути являются чисто конструктивными и их применяют, когда остальные направления сложно реализовать без экспериментальных исследований. Поэтому экспериментальные исследования нами были проведены с целью выявления особенностей протекания температурных деформаций МС и степени оценки их влияния на точность обработки системы координированных основных отверстий (СКОО). В качестве примера исследовались МС с различной конструктивной компоновкой узлов. Отсутствие исследований температурных деформаций, учитывающих особенности многопереходной последовательности обработки СКОО на МС придает этой задаче актуальный характер. Исследования выполнялись на станках следующих моделей: 243ВМФ22; МС 12-250; 2Р135Ф2. Экспериментальные исследования температурных деформаций МС проводились в два этапа. Первый этап заключался в общей количественной и качественной оценке температурных деформаций МС с определенной конструктивной компоновкой узлов и выявления доминирующих источников теплообразования. Второй этап рассматривает имитация процессов обработки по-

верхностей деталей. Исследования на холостом ходу проводились на станках модели 243ВМФ2 и МС12-500. Измерение температуры отдельных точек станка и тепловых смещений оси шпинделя в плоскости Х0У начинается с «холодного» станка, не работавшего в течение 16 часов. Измерения производились через каждые 15 мин в течение первых двух часов, в дальнейшем через каждые 30 мин.

Смещения узлов станка от температурных деформаций измерялись индикаторными головками с ценой деления 0,001 мм. Разворот оси шпинделя

Ат„, Ат„ „ т,

у у и смещения оси вращения инструмента в направлении осей X и

У фиксировались четырьмя индикаторными головками Ах, Ау, Вх, Ву (рис.1). Измерительной базой для них служила цилиндрическая поверхность эталонной оправки, закрепляемой в шпинделе станка. При вращении шпинделя ножки индикаторов отводились от измерительной поверхности с помощью специальных устройств. С целью уменьшения влияния погрешности измерения, показания снимались при фиксированном угловом положении шпинделя. Угол разворота оси шпинделя в плоскостях Х02 и У02 определялся по формулам:

А - В

Атх = аг^

150

, Ату = аг^

А - В

У У

150

где Ах, Ау, Вх, Ву - величины показаний соответствующих индикаторов, мм; 150 - расстояние между индикаторами Ах-Вх и Ау-Ву (рис. 1).

Величину смещения оси шпинделя в направлении осей X и У от температурных деформаций можно определить при обработке деталей на конкретных режимах. Но при этом силы резания определяются по эмпирическим формулам и могут возникать различия между их реальными и расчетными значениями. Поэтому, для исследования температурных деформаций станков была спроектирована и изготовлена экспериментальная установка, позволяющая имитировать процесс резания, т. е. нагружать станок определенными значениями составляющих силы резания Рос, Рр, и крутящего момента Мк.

Смещение оси шпинделя в радиальном направлении происходит в основном за счет изменения температуры верхней и нижней частей шпиндельной головки. Величина этого смещения пропорциональна частоте вращения шпинделя. Наблюдения, выполненные на холостых оборотах, показали, что смещения во времени протекают неравномерно. В начале работы (в течение 1,5-2 часа) они нарастают интенсивно, далее процесс замедляется и примерно через 3-4 часа непрерывной работы станка на заданном режиме перемещения в направлении оси Х и У прекращаются (рис. 2.). Сложный характер кривых объясняется неодинаковой интенсивностью теплообразования и разностью средних температур верхней и нижней стенок шпиндельной бабки.

тепловых деформаций станка модели 243ВМФ2

Дг, мкм

п=2500о6/мин \

Ау

А.

1 2 3 4 I час Рисунок 2 - Зависимость смещения оси шпинделя от времен работы станка

V П-А 1000 об/мин Ж) об/мин

но

1а - 225 -30 ММ

\ 20

( 10 1а =75 / мм

-10 0 \ 10 / 20 Х,мкм

10

20

30 м У.мкм

Рисунок 3 - Изменение смещения оси шпинделя в плоскости Х0У ДТ, мкм

3,5 у

35

Ъ ¿г 2.5 _

1.5'

25 40 8С ю 12 00 ш 10 20 00 а об/мин

15 2 1

л

Показания индикатороб \

Рисунок 4 - Максимальные значения температурных смещений оси вращения шпинделя по оси У (цифрами показано время наступления теплового равновесия на заданной частоте вращения).

Изменение положений оси вращения шпинделя во времени в плоскости У02 при постоянной частоте вращения шпинделя показано на рис. 3. Как

показали исследования, 85-90% значений температурных смещений оси шпинделя имеют направление вдоль оси У. Объясняется это несимметричной конструкцией шпиндельной бабки. Смещение оси шпинделя в направлении оси У подчиняется определенной закономерности. Не удалось обнаружить закономерность смещения оси шпинделя для станков по направлению оси X на частотах вращения п > 2000 об/мин из-за малости значений смещений, соизмеримых с погрешностью измерения.

Максимальные смещения оси шпинделя зависят от частоты вращения шпинделя и величины вылета инструмента. Как показали эксперименты, при вылете инструмента 1и> 150 мм существует зависимость:

АТ. = АТ 1

} 1 -1

г л0,36

п. _]_

п ,

V 1-1 У

где АТ1, АТ1 _ - максимальные значения смещений от шпинделя; п , п _ -

частота вращения шпинделя на данном и предшествующем режимах работы станка.

Исследование влияния режимов обработки на величину и характер изменения температурных деформаций осуществлялось при исключении влияния других источников тепловыделения. На рис. 5 показано влияние Мк крутящего момента, а на рис. 6 - влияние Рр - радиальных и Рос - осевых сил на максимальные тепловые смещения и на угол разворота оси шпинделя. Эксперименты показывают, что изменение крутящего момента влияет на тепловые смещения в большей степени, чем под действием радиальных и осевых сил. Влияние этих сил при расчетах можно пренебречь. С увеличением крутящего момента на шпиндель происходит интенсивное теплообразование в верхней части шпиндельной головки.

Экспериментальные исследования температурных деформаций станка МС12-250 по выше изложенной методике показали, что смещение оси шпинделя в результате температурных деформаций шпиндельной коробки практически не влияет на точность обработки. Это объясняется тем, что ось шпинделя максимально приближена к плоскости направляющих шпиндельной коробки. А источники теплообразования максимально удалены от шпиндельной коробки, а именно: электродвигатель главного привода расположен в нижней части станины, коробка скоростей расположена в средней части станины и разделена со шпиндельной коробкой плоскостью горизонтальных направляющих. Кроме того, конструкция шпиндельной коробки не содержит концентраторов тепловых полей. Нагрев подшипников в процессе работы не вызывает температурных деформаций станка.

СОВРЕМЕННЫЕ МАТЕРИАЛЫ, ТЕХНИКА И ТЕХНОЛОГИИ, №5 (8), 2016 71 Д*[ ( мкм

24 18 12 6 О

-5

-12 -18

-24 -30

772 ^- /Ууу

----- л Ж д„

*

2«8МФ2 2 013592

в*

ш

800

1200

п, а б/мин

Рисунок 5 - Изменение максимальных значений температурных смещений оси шпинделя от крутящего момента

Дт, мкм

Рисунок 6 - Изменение максимальных значений температурных смещений оси шпинделя от радиальных и осевых сил

Осевое смещение оси шпинделя в результате температурных деформаций не наблюдается, поскольку упорные подшипники, воспринимающие

осевые силы, расположены в передней опоре, а задняя опора служит только для восприятия радиальных сил резания.

Для станка модели 2Р135Ф2 смещения оси шпинделя от температурных деформаций станка направлено по оси X и Y. Зависимость температурных деформаций станка от частоты вращения шпинделя удалось наблюдать при n > 1000 об/мин, т. е. только на верхнем диапазоне частот вращения шпинделя. Изменение нагрузки на станок не влияет на величину тепловых деформаций технологической системы. Из исследований следует, что при обработке отверстий малого диаметра на максимальных частотах вращения шпинделя, величины позиционного отклонения будут значительными и это обстоятельство должно быть учтено.

Список литературы

1. Алферов В.И. Приближенные методы расчета температурных смещений в станках. Станки и инструмент. -1993, №10, с.11-13.

2. Княжицкий И.М. Компенсация температурных погрешностей координатно-расточных станков. Станки и инструмент. - 1983, с.4 -7.

3. Корсаков B.C., Бурцев В.М., Дибиров СЮ. Влияние температурных деформаций станков на точность обработки отверстий. - Известия вузов. Машиностроение, 1976, №2, с.164-166.

4. Круглов В.А. Влияние температурных деформаций на точность обработки. - Вестник машиностроения, 1967, №2, с.58-69.

5. Лурье М.З. Температурные деформации координатно-расточных станков и методика их исследования. - Станки и инструмент, 1964, № I, с.10-14.

Dibirov Sabula Yusupovich, Ph. D., associate Professor

Of the "Dagestan state technical University", Makhachkala, Russia

Bahmudkadiev Nuhkadi Dzhalalovich, Ph.D., Associate Professor FGBOU IN "Dagestan State Pedagogical University", Makhachkala, Russia

(E-mail: nuhkadi@mail.ru).

Dudin Vladimir Iosifovich, Ph.D., Associate Professor Moscow Technological University, Russia

FEATURES TEMPER

ATURNYKH DEFORMATION OF CNC MACHINE TOOLS

Abstract. In the article, the features of influence of thermal deformation of machining CNC machine tools (MS) for precision machining the major surfaces of body parts of cars.

Keywords: multifunction machines thermal deformation of machine tools, precision machining