Введение
Развитие исовершенствование конструкций станков с ЧПУ привело к появлению многоцелевыхстанков, которые объединили в себе эксплуатационные качества целого рядастанков обычного исполнения. Многоцелевые станки, созданные на базе токарных станковс ЧПУ и обрабатывающих центров и комбинирующие их возможности, в настоящеевремя являются одной из наиболее динамично развивающихся концепцийметаллообработки. Сочетание пятикоординатной обработки с автоматической сменойинструмента позволяет выполнять множество операций.
В станках сЧПУ широко применяют различные механизмы периодического поворота с последующейфиксацией положения поворачиваемых узлов. К таким узлам относят:
– поворотныеинструментальные шпиндели с регулируемым углом наклона, которые можноиспользовать с большинством типов режущего инструмента;
– позиционныестолы для периодического подвода закрепленных на них заготовок к различныминструментам или в рабочую зону станка и силовые столы для передачи крутящегомомента заготовке;
– револьверныеголовки для поочередного подвода инструмента к обрабатываемой детали;
– магазиныинструментов;
– захватныеорганы промышленных роботов и автооператоры, поворачивающиеся на заданный уголи работающие во взаимодействии с загрузочно-разгрузочными устройствами длязаготовок и магазинами для инструментов.
Эти механизмыулучшают эксплуатационные возможности и производительность станков,обеспечивают сложную траекторию перемещения инструмента, повышают качестводеталей.
Одним изпутей повышения эффективности использования станков с ЧПУ является применениеповоротных столов, обеспечивающих обработку максимального числа поверхностейдеталей с одного установа. Поворотные столы предназначены для расширениятехнологических возможностей станков с ЧПУ в качестве дополнительных координат.
В специальнойчасти представленного дипломного проекта проанализированы конструкцииповоротных столов, разработанных и применяемых на предприятии ОАО «Стерлитамак– М.Т.Е.» (Стерлитамакский станкостроительный завод), представлены эскизы,определены основные технические характеристики, описаны устройство и работастолов, а также рассмотрены методики расчета на точность и жесткость типовыхконструкций, проведены расчеты на жесткость и точность двухосевого поворотногостола и поворотного стола модели CNC 200R. По полученным результатам выполнена оптимизация конструкцииповоротного стола CNC 200R с целью повышения точности обрабатываемой детали и выполненпатентный анализ новых типовых конструкций.
1. Классификациястолов, применяемых в мехатронных станках
столповоротный махатронный двухосевой
Поворотныестолы, применяемые в мехатронных станках, классифицируются по следующимпризнакам:
а) количествоосей – одноосевые и двухосевые;
б) положение осивращения – с горизонтальной осью вращения (преимущественно в токарных станках)и с вертикальной осью вращения для сверления отверстий и фрезерования большогоколичества различных деталей (фрезерные, сверлильные, расточные, зуборезные, шлифовальныестанки);
в) типпривода – электромеханический, электрический, гидравлический;
Электромеханическийпривод разделяется на приводы с цилиндрической передачей, червячной передачей,зубчато-реечной передачей.
Цилиндрическаяпередача имеет следующие особенности:
– отсутствиесамоторможения;
– высокийКПД;
– высокаядопустимая частота вращения;
– сложнаяконструкция.
Червячная передачахарактеризуется:
– высокойредукцией при хорошей компактности;
–самоторможением;
– болеевысокой точностью (благодаря коэффициенту перекрытия реализуются «фильтрующие»способности передачи к погрешностям);
– низким КПД;
–ограничением частоты вращения;
– износомколеса.
г) назначениестола – силовой (для передачи крутящего момента обрабатываемой детали);позиционный (для позиционирования обрабатываемой детали); комбинированный;
д) способторможения – при помощи гидравлического тормоза, за счет торможенияэлектродвигателем, механическое торможение.
2. Описание типовыхконструкций поворотных столов
Рассмотримнекоторые конструкции поворотных столов, разработанных и применяемых напредприятии ОАО «Стерлитамак – М.Т.Е.».
2.1 Столы модели CNC
Столыповоротные модели CNC 200R, CNC 320R, CNC 500R или CNC 320 предназначены для расширения технологических возможностейстанка с числовым программным управлением, в качестве дополнительных (одной илидвух) координат.
Классификацияповоротных столов:
а) CNC 200R, CNC 320R, CNC 500R – стол поворотный (ось Аили В) предназначен для установки обрабатываемой детали и поворота ее во времяобработки в позиционном и непрерывном режимах;
б) CNC 320 – стол поворотныйдвухосевой (оси А и С) может быть применен в области производства деталей сосложными поверхностями, требующих обработки по 4 или 5 координатам;
в) CNC 320–01 – стол поворотныйс установочной плитой (ось А) имеет широкий диапазон круговых подач, которыйполностью обеспечивает выбор нормативных режимов резания для обработки деталейиз различных конструкционных материалов.
Эскизы столови применяемые с ними модели задних бабок представлены в таблице 2.1
Таблица 2.1 –Эскизы поворотных столов модели CNC
Эскиз поворотного стола и задней бабки
Модель поворотного стола
Примечание
/>
CNC 200R
CNC 320R
CNC 500R Поворотный стол с горизонтальной осью вращения
/>
CNC 200R
CNC 320R Поворотный стол с горизонтальной осью вращения и задняя бабка с ручным зажимом
/>
CNC 200R
CNC 320R Поворотный стол с горизонтальной осью вращения и задняя бабка с пневматическим зажимом
/>
CNC 200R
CNC320R Поворотный стол с горизонтальной осью вращения и задняя бабка с планшайбой
/> CNC 320
Стол поворотный двухосевой
основное исполнение
/> CNC 320–01
Стол поворотный с установочной плитой
опция
/>
CNC 320
CNC 320–01
Стол поворотный двухосевой или стол поворотный с установочной плитой
опция
Техническиехарактеристики поворотных столов (основные параметры и размеры) приведены втаблице 2.2.
Таблица 2.2 – Технические характеристикиповоротных столов
Наименование параметров
Значения
CNC
200R
CNC
320R
CNC
500R
CNC
320
CNC
320–01
Грузоподъемность стола, кг 300 500 1000 500 500
Диаметр планшайбы, мм 200 320 500
320
до 500** -
Диаметр центрального отверстия, мм 60Н7 60Н7 100Н7 60Н7 -
Размеры Т-образных пазов
12Н11
(12Н7)
14Н11
(14Н7)
18Н11
(18Н7)
14Н11
(14Н7) 14Н7
Количество Т-образных пазов 8 8 8 8 (4**) 3
Угол поворота, град
– ось А (В)
– ось С
360
-
360
-
360
-
130
360
360
-
Точность позиционирования, град 0,006 0,006 0,006 0,006 0,006
Повторяемость позиционирования, град 0,003 0,003 0,003 0,003 0,003
Максимальный крутящий момент, Нм 640 1020 3050 1020 1020
Наибольшая частота вращения стола мин-1 (при двигателе с n=3450 мин-1) 28 17 15 17 17
Число ступеней подач Регулирование бесступенчатое
Допустимая радиальная сила, кН 38,8 42,1 90,7 42,1 42,1
Допустимая осевая сила, кН 27,9 31,7 68,1 31,7 31,7
Передаточное отношение 105 169 191 169 169
Электродвигатель привода вращения стола
– номинальная мощность, кВт
– номинальный крутящий момент, Нм
– номинальная частота вращения, мин-1
1,9
6*
3000
1,9
6*
3000
5
16*
3000
1,9
6*
3000
1,9
6*
3000
Масса стола, кг, не более 170 250 400 400 320 /> /> /> /> /> /> /> /> /> /> />
Устройствои работа столов модели CNC
а) Столповоротный модели CNC 200R, CNC 320R в соответствии с рисунком 2.1.
Столповоротный состоит из корпуса поз. 1, к которому крепится плита поз. 2. К плитес одной стороны крепится двигатель поз. 3, а с другой подшипниковый редукторпоз. 4 высокой нагрузочной способности и точности. Двигатель передает крутящиймомент на редуктор через шпонку. К выходной стороне редуктора через фланец поз.5 крепится планшайба поз. 6. С целью повышения точности поворотанепосредственно на планшайбу устанавливается круговой датчик поз. 7.
б) Стол поворотный модели CNC 500R всоответствии с рисунком 2.2.
Стол поворотный состоит из корпуса поз. 1, к которомукрепится фланец поз. 2. к фланцу поз. 2 крепится подшипниковый редуктор поз. 3высокой нагрузочной способности и точности. Электродвигатель поз. 5,установленный на корпусе через фланец поз 4 передает крутящий момент через валпоз. 6 и фланец муфты поз. 7. К выходной стороне редуктора через фланец поз. 8крепится планшайба поз. 9. С целью повышения точности поворота непосредственнона планшайбу устанавливается круговой датчик поз. 10.
в) Стол поворотный модели CNC 320 в соответствии срисунком 2.3.
Стол поворотный состоит из стола CNC 320R поз. 1 (безпланшайбы), задней бабки TS70–00 поз. 2, поворотного стола CNC 320RV поз. 3,установленного в корпусе поз. 4. Устройство поворотного стола CNC 320RV аналогично CNC 320R.
г) Стол поворотный модели CNC 320–01 в соответствиис рисунком 2.4.
Стол поворотный состоит из стола CNC 320R поз. 1 (безпланшайбы), задней бабки TS70–00 поз. 2 и установочной плиты поз. 3
2.2 Одноосевые столы с паллетой
Стол поворотный предназначен для установкиобрабатываемой детали и поворота ее во время обработки в позиционном инепрерывном режимах.
Частота вращения столаимеет непрерывное регулирование, а положение стола может быть заданнопозиционно (т.е. на заданный угол).
Одноосевые столы спаллетой разделяются на 2 вида: без устройства смены заготовок и с устройствомсмены заготовок, т.е. с узлом зажима паллет.
Техническиехарактеристики столов приведены в таблице 2.3.
Таблица 2.3 – Техническиехарактеристики стола с паллетой
Наименование параметров
Значения 1
Размеры рабочей поверхности паллеты, мм
– длина
– ширина
630
630 2 Диаметр центрального отверстия, мм Ø25 Н7 3 Диаметр крепежных отверстий, мм М16–7Н 4 Расстояние между фиксирующими и крепежными отверстиями, мм
100+0,01 5 Количество крепежных отверстий 45 6 Количество элементов, фиксирующих паллету 4 7 Наибольшее расстояние от оси шпинделя до рабочей поверхности стола, мм 750 8 Угол поворота стола, град 360 9 Режим вращения стола непрерывный 10
Частота вращения стола, мин-1 22 11 Точность углового позиционирования по оси В (при непрерывном отсчете координат), град. 0,006 12 Повторяемость углового позиционирования по оси В (при непрерывном отсчете координат), град. 0,003 13 Дискретность задания поворота по оси В, град 0,001 14 Наибольший крутящий момент, Нм 500 15 Наибольшая масса обрабатываемой детали, кг, не более 800 16 Номинальная мощность электродвигателя привода вращения стола по оси В, кВт 2 17
Номинальная частота вращения электродвигателя по оси В, мин-1 2500 18
Максимальная частота вращения электродвигателя по оси В, мин-1 3500 19 УСЗ: Время смены паллет, сек 24±10% 20 УСЗ: Грузоподъемность паллет, кг 2х800
Устройствои работа одноосевых столов с паллетой
а) Столповоротный без УСЗ
Стол поворотный для станка без УСЗ в соответствии срисунком 2.5.
Статор мотора синхронного вращательного R113–3P 298х75 фирмы IDAM (Германия)поз. 10 расположен в корпусе поз. 5. Корпус поз. 5 установлен в корпусе столапоз. 3, неподвижно закрепленном на станине станка. К ступице ротора поз. 6,установленной на роторе мотора через поворотную плиту поз. 4 крепится паллетапоз. 2 (630 х 630 мм).
Высокая нагрузочная способность и жесткость ротораобеспечивается комбинированным радиально-упорным подшипником ZKLDF395 фирмы INA (Германия)поз. 9. Для контроля позиционирования стола на фланце поз. 7, закрепленном наступице ротора поз. 6, установлен круговой датчик Renishaw. Считывающаяголовка датчика устанавливается на корпусе поз. 8.
Мотор имеет водяное охлаждение, что обеспечиваетпродолжительную работу на высоких крутящих моментах. Подвод и отвод охлаждающейжидкости осуществляется от станции охлаждения по гибкой трубке через фитинг (G 1/4»).
Для работы в позиционном режиме стол оснащен гидравлическимтормозом. Управление тормозом осуществляет устройство ЧПУ. Тормоз представляетсобой два кольца (вид Б), внутрь одного из которых через соединение 8 (К1/8»)подается масло от гидростанции. За счет давления масла (4 МПа) размер кольцаменяется и происходит схватывание ротора стола.
б) Стол поворотный с УСЗ
Стол поворотный для станка c УСЗ в соответствии срисунком 2.6.
Статор мотор-редуктора CHA-50–160 фирмы HAMONIK DRIVE (Германия) поз. 1 через фланец поз. 2 установлен в корпусепоз. 3, неподвижно закрепленном на станине станка. К ротору мотор-редукторачерез ступицу ротора поз. 4 крепится поворотная плита поз. 6. На поворотнуюплиту устанавливается паллета поз. 9 (630 х 630 мм). Высокая нагрузочнаяспособность и жесткость ротора обеспечивается комбинированным радиально-упорнымподшипником ZKLDF395 фирмы INA (Германия) поз. 5.
Для работы в позиционном режиме стол оснащен гидравлическимтормозом поз. 7. Управление тормозом осуществляет ЧПУ. Тормоз – полое кольцо поз.7 внутрь которого подается масло от гидростанции через соединение поз. 8 (К1/8»).За счет давления масла размер кольца меняется и происходит схватывание роторастола.
В поворотной плите поз. 6 расположены 4 узла зажима паллетпоз. 8. Подвод масла к гидромеханической системе зажима и подвод воздуха дляобдува конуса осуществляется через каналы поворотной плиты поз. 6.
Узел зажима паллет
Узел фиксации и зажимапаллет представляет собой гидромеханическую систему зажима с прерываниемтраектории. Данная система обеспечивает высокие усилия зажима при малом рабочемпространстве. Высокие усилия зажима гарантируют стабильность и жесткость системы.
Особенность даннойконструкции состоит в применении захватывающего цилиндра поз. 4, расположенногои закрепленного в соответствии с рисунком 1.3 на поворотной плите поз. 2поворотного стола. Он представляет собой укороченный конус 50АТ5. Его контур ориентируетсяна соединение с хвостовиком поз. 5, крепящимся в корпусе поз. 3. Корпус поз. 3крепится к паллете поз. 1. Фиксация и зажим осуществляется посредствомперемещения штока поз. 6 и захватом шариками поз. 9 хвостовика поз. 5. Движениесамого штока осуществляется за счет перемещения поршня поз. 8, который в своюочередь зажимает (разжимает) сухарики поз. 7. Во время фиксации происходиточистка базовой поверхности за счет продувки сжатым воздухом.
2.3 Поворотныйстол с червячной передачей
Стол поворотный предназначен для установки обрабатываемойдетали и поворота ее во время обработки. Поворотный стол перемещается по оси Z и поворачиваетсяотносительно оси В.
В состав поворотного стола входят: собственно поворотныйстол поз. 1, установленный на проставку поз. 3. К проставке поз. 3, черезкомпенсаторы поз. 7, крепятся каретки поз. 9 направляющих качения перемещенияповоротного стола по оси Z и, через компенсаторы поз. 6, вилка поз. 2, в которуюустанавливается гайка шариковой винтовой передачи по оси Z. Компенсаторыпоз. 8 установлены между корпусом поворотного стола и проставкой поз. 3.Поворотный стол и проставка закрыты от попадания стружки и СОЖ кожухами поз. 4,5.
Основанием стола является корпус поз. 3, в которомразмещается корпус поз. 11 с установленным в нем подшипником поз. 16. Вподшипнике поз. 16 вращается цилиндр поз. 8. К цилиндру поз. 8 крепитсяпланшайба поз. 6, являющаяся верхней крышкой цилиндра, и нижняя крышка цилиндрапоз. 7, а к планшайбе – поворотная плита поз. 4.
Поворот планшайбы поз. 6 и поворотной плиты поз. 4осуществляет червячное колесо поз. 2, установленное на цилиндре поз. 8 инаходящееся в зацеплении с червяком поз. 12. Червяк поз. 12 установлен вкорпусе поз. 13, опоры червяка – подшипники поз. 15, 17. Червяк соединен с валомэлектродвигателя посредством муфты поз. 14.
Точное базирование поворотной плиты поз. 4 относительнокорпуса поворотного стола поз. 3 осуществляется посредством зубчатой муфты поз.19 (хирта). Полумуфты с торцовым зубом крепятся к корпусным деталям поз. 3 и 4.При подаче давления через шток поз. 9 в нижнюю полость цилиндра, шток поз. 9 споворотной плитой поз. 4 перемещается вверх, выводя из зацепления верхнюю полумуфтупоз. 19. Затем пара червяк – червячное колесо осуществляет поворот поворотнойплиты поз. 4 на заданный угол, после чего давление подается в верхнюю полостьцилиндра. Шток поз. 9 опускается и верхняя часть зубчатой полумуфты поз. 19,установленная на поворотной плите поз. 4, входит в зацепление с нижней частьюполумуфты, установленной на корпусе поз. 3, фиксируя положение поворотнойплиты.
В плите поворотной поз. 4 размещены четыре узла зажимапаллет поз. 1, на которых располагается паллета поз. 5. Для работы цилиндраузла зажима паллет давление подается по каналам в поворотной плите поз. 4 иштоке поз. 9 через стакан поз. 10.
/>
/>
Рисунок 2.9 – Стол поворотный в разрезе
2.4 Поворотные столы, встраиваемые в столстанка
Поворотныестолы, встраиваемые в стол станка или поперечные салазки, представлены нарисунках 2.9 и 2.10.
Стол с редуктором представляет собой поворотный механизм спланшайбой. В корпусе поз. 7, устанавливаемом на корпусе поворотного стола,устанавливается подшипник поз. 11, к внутреннему кольцу которого крепитсяступица поз. 2 с закрепленной на ней планшайбой поз. 8. Пробки поз. 10 изаглушка поз. 9 в совокупности с кольцами поз. 12, 13 предохраняют крепежные ицентральное отверстия планшайбы от попадания стружки и СОЖ при обработке. Валэлектродвигателя (N=5 кВт, n=3000 мин-1), установленного на фланце поз. 4,входит во входное отверстие подшипникового редуктора TS 300–191-SCB (ф. Spinea, Словакия)поз. 14. Подшипниковый редуктор установлен между фланцем поз. 4 и фланцем поз5, планшайба поз. 8 крепится к выходному фланцу редуктора кольцом поз. 3. Сцелью повышения точности позиционирования планшайбы на кольцо поз. 3устанавливается круговой датчик Renishaw.
Тормоз поз. 1 осуществляет торможение ступицы поз. 2 засчет подачи избыточного давления воздуха в полость между двумя кольцами тормозаи изменения размеров внутреннего кольца.
2.5 Столповоротный двухосевой модели RTL500
Стол поворотный двухосевой модели RTL500 предназначен для установки обрабатываемойдетали и поворота ее во время обработки в позиционном и непрерывном режимах.
Частота вращения столаимеет непрерывное регулирование, а положение стола может быть заданнопозиционно (т.е. на заданный угол).
Стол поворотный двухосевой имеет в своемсоставе две опоры: механизм поворота шпиндельной головки поз. 2 и неприводную опорупоз. 3. В корпусе поз. 5, расположенном между фланцами опор поз. 2 и 3,монтируется поворотный стол поз. 4. Компенсаторы поз. 6 обеспечивают прилеганиепосадочной плоскости корпуса поз. 5 к фланцу неприводной опоры. Нижняя ибоковые плоскости корпуса закрыты крышками поз. 7, 8, 9. Кожух поз. 1предохраняет кабели поворотного стола.
Общий вид поворотного стола модели RTL500 в соответствии с рисунком 2.11.
Механизм поворота шпиндельной головки в соответствии срисунком 2.12.
В корпусе поз. 1 установлен фланец поз. 6, в которомустанавливается подшипниковый редуктор TS 300–191-SCB (фирмы Spinea,Словакия) поз. 7. Редуктор крепится к фланцу поз. 6 через фланец поз. 3. Нафланце поз. 3 установлен электродвигатель (N=5 кВт, n=3000 мин-1),вал электродвигателя входит во входное отверстие редуктора поз. 6. К выходномуфланцу редуктора через фланец поз. 5 крепится планшайба поз. 2. С цельюповышения точности позиционирования непосредственно к фланцу поз. 5 крепитсякруговой датчик Renishaw. Штырь поз. 4, установленный во фланец поз. 6 центрируетпланшайбу поз. 2 и корпус поворотного стола.
/> Рисунок 2.11 – Общий вид поворотного стола модели RTL500
Неприводная опора в соответствии с рисунком 2.13.
В корпус опоры поз. 9 устанавливается фланец поз. 4, вкотором установлен подшипник поз. 13. Во внутреннем кольце подшипникаустанавливается фланец поз. 3, на торце фланца монтируется фланец поз. 2, ккоторому непосредственно крепится корпус поворотного стола. Кольца поз. 10, 11,установленные на фланцах поз. 3 и 4 соответственно, крепят подшипник поз. 13.Кольцо поз. 8, установленное во фланце поз. 2, центрирует корпус поворотногостола относительно оси поворота фланца.
Тормоз поз. 1 осуществляет торможение фланца поз. 2 за счетподачи избыточного давления воздуха в полость между двумя кольцами тормоза иизменения размеров внутреннего кольца.
Контроль крайних положений поворота стола (ось А)осуществляется при помощи блоков микропереключателей установленных через планкипоз. 5 на фланце поз. 4 и кулачка поз. 6, установленного на фланце поз. 3.Крышка поз. 7 закрывает корпус с обратной стороны, компенсатор поз. 12позволяет отрегулировать высоту корпуса опоры.
3. Анализ жесткости конструкцийповоротных столов
Точность встаночных системах выступает, как целевая функция и ей подчинены все другиеэксплуатационные показатели. В свою очередь одним из факторов, влияющих наточность обработки, является жесткость станочной системы. Жесткость –способность системы сопротивляться изменению формы и размеров под нагрузкой.
Жесткостьконструкции оценивается с помощью программного продукта SolidWorks Simulation 2009. Это пакетпрограмм, позволяющий выполнять комплексный анализ напряженно-деформированногосостояния конструкций методом конечных элементов на ранней стадиипроектирования, что позволяет существенно повысить качество проектируемогооборудования и снизить общее время конструирования. Принципиально важнымкачеством является то, что система может рассчитывать сборки. Детали сборки могутбыть выполнены из разных материалов. Для каждой части сборки конечно-элементнаясетка генерируется изолированно, а соединения моделируется контактнымиэлементами, учитывающими зазор между деталями.
Преимуществом Simulation 2009 является то, что междупостановкой задачи (при наличии геометрической модели) и получением результатовпроходит незначительное время. С использованием данного метода можно произвестирасчёт деталей и сборок любой конфигурации и формы.
3.1 Анализ жесткостидвухосевого поворотного стола RTL500
В статическом анализе конструкции поворотногостола с помощью программы определяются напряжения, перемещения и деформациистола. Найденные значения сравниваются с допустимыми значениями исходя изтребуемой точности.
На общую жесткость конструкции влияет множествоне связанных между собой факторов, таких как жесткость подвижных стыков –подшипников и направляющих, жесткость неподвижных стыков – жесткость элементовконструкции, болтовых соединений.
Для расчета напряжений и упругих перемещений поворотного стола подвлиянием действующих нагрузок составлена схема нагружения конструкции впроцессе торцевого фрезерования четырех площадок детали. Для выявленияхарактера зависимости упругих перемещений от действующих нагрузок расчетвыполняется при различных силах резания, соответствующих торцевому фрезерованиюлитейной стали 35Л с подачей S = 0,15 мм/зуб, требуемой глубиной резания t= 1,5 мм при скорости резания 150 м/мин.
Фиксация основания стола осуществляетсяограничениями по нижней плоскости. Действия сил резания моделируютсяприложением дистанционной нагрузки к обрабатываемой поверхности детали. Подшипниковыйредуктор в расчетной схеме представлен в виде осевой и радиальной жесткостиприводной опоры и задается через упругую связь (пружину) между поверхностьюкорпуса и фланцем поворотной части. Подшипники задней опоры и подшипники столав модели показаны в виде внутреннего и наружного кольца и представлены радиальнойи осевой жесткостью аналогично. Вращающий момент с учетом редукцииприкладывается к фланцу поворотной части в приводной опоре и к планшайбе встоле.
В данной расчетной схеме учтены материалы всех основных элементовконструкции, массовые характеристики всех элементов конструкции, а также силатяжести, действующая на представленный узел.
Для расчета напряженно-деформированного состояниястроится конечно-элементная модель и выполняется расчет.
Все данные о материалах деталей (объем, масса, свойства), значениях, направленияхи местах приложения сил, видах примененных соединений, представлены ниже в видетаблиц.
Таблица 3.1 – Материалы деталей
№
Элемент
Материал
Масса, кг
Объем, м3 1 Корпус под редуктор
Серый чугун СЧ20
ГОСТ 1412–85 186.154 0.0258547 2 Фланец Сталь 3 ГОСТ 14637–89 15.0812 0.00193349 3 Фланец Сталь 3 ГОСТ 14637–89 20.0765 0.00257391 4 Кольцо Сталь 40Х ГОСТ 4345–74 20.0035 0.00256455 5 Вал-центратор Сталь 45 ГОСТ 1050–88 1.85008 0.00023719 6 Планшайба
Серый чугун СЧ20
ГОСТ 1412–85 35.4768 0.00492733 7 Корпус задней опоры
Серый чугун СЧ20
ГОСТ 1412–85 134.655 0.0187021 8 Фланец Сталь 3 ГОСТ 14637–89 16.1839 0.00207486 9 Кольцо наружное Сталь ШХ15 ГОСТ 801–78 1.21687 0.000158035 10 Кольцо внутреннее Сталь ШХ15 ГОСТ 801–78 1.05895 0.000137526 11 Вал Сталь 40Х ГОСТ 4345–74 5.86913 0.000752453 12 Планшайба задней опоры
Серый чугун СЧ20
ГОСТ 1412–85 20.0915 0.00279048 14 Центратор Сталь 45 ГОСТ 1050–88 0.72288 9.2677e-005 15
Кольцо под
планшайбу Сталь 45 ГОСТ 1050–88 7.95717 0.00102015 16 Кольцо Сталь 18ХГТ ГОСТ 4543–71 3.05427 0.000396658 17 Корпус стола
Высокопрочный чугун ВЧ40
ГОСТ 7293–85 321.012 0.044585 19 Вал Сталь 40Х ГОСТ 4345–74 4.7632 0.000610667 20 Планшайба стола
Серый чугун СЧ20
ГОСТ 1412–85 90.5765 0.0125801 21 Корпус двигателя
Серый чугун СЧ20
ГОСТ 1412–85 38.1533 0.00529906 22 Кольцо внутреннее Сталь ШХ15СГ ГОСТ 801–78 11.689 0.00151805 23 Кольцо наружное Сталь ШХ15СГ ГОСТ 801–78 14.1212 0.00183393 24 Планшайба
Серый чугун СЧ20
ГОСТ 1412–85 68.6031 0.00952821 25 Плита
Серый чугун СЧ20
ГОСТ 1412–85 30.7453 0.00427019 26 Деталь
Литая углеродистая сталь
ГОСТ 977–88 20.3644 0.00261082 27 Стакан Сталь 40Х ГОСТ 4345–74 1.08912 0.00013963 28 Прихват Сталь 45 ГОСТ 1050–88 0.769769 9.86883e-005 29 Опора Сталь 45 ГОСТ 1050–88 0.153153 1.9635e-005 30 Опора-винт Сталь 45 ГОСТ 1050–88 0.0401627 5.14907e-006 31 Стойка Сталь 40Х ГОСТ 4345–74 0.528102 6.77054e-005 32 Клин
Серый чугун СЧ20
ГОСТ 1412–85 0.541559 7.52166e-005 33 Корпус
Серый чугун СЧ20
ГОСТ 1412–85 1.5876 0.0002205 34 Винт Сталь 45 ГОСТ 1050–88 0.0283933 3.64017e-006 35 Гайка Сталь 45 ГОСТ 1050–88 0.027981 3.58731e-006
Таблица 3.2 – Нагрузки и ограничения
Ограничение/нагрузка
Описание Крепление Лишение всех степеней свободы мест крепления основания по оси Y. Вращающий момент Вращающий момент 650 Нм приложен к фланцу поворотной части относительно выбранной исходной точки, по оси, вращающий момент 550 Нм приложен к планшайбе поворотного стола. Сила тяжести
Сила тяжести относительно плоскости «Сверху» с гравитационным ускорением 9.81 м/с2. Дистанционные нагрузки Прямой перенос сил резания к месту обработки.
Таблица 3.3 – Определение соединителей
Соединение
Описание Соединитель-пружина – 1.
Жесткость радиального шарикового подшипника 1000844 задней опоры:
осевая – 2,69е+007 Н/м;
радиальная – 5,11е+007 Н/м. Соединитель-пружина – 2.
Жесткость интегрированных радиально-упорных подшипников редуктора:
осевая – 7,67E+008 Н/м;
радиальная – 1,94е+008 Н/м. Соединитель-пружина – 3.
Жесткость двухрядного упорно-радиального подшипника ZKLDF395:
осевая – 2,74E+008 Н/м;
радиальная – 5,74е+008 Н/м.
Расчет эквивалентных напряжений при наибольших силах резания показывает,что максимальные напряжения возникают в месте приложения нагрузки наповерхности детали. Эквивалентные напряжения растяжения-сжатия по Von Mises приведены в таблице 3.4. Эпюра напряжений показана нарисунке 3.3. Критерий Мизеса (критерий энергии формоизменения) определяетмомент исчерпания несущей способности сравнением величины эквивалентного напряженияс пределом текучести материала. Критерий Мизеса применим для изотропныхматериалов, имеющих вязкий характер разрушения. К ним относятся большинствометаллов.
Таблица 3.4 – Результаты исследования эквивалентных напряженийТип
Возникающие напряжения, Н/м2
Предел прочности
Н/м2 VON: Напряжение Von Mises 4,69e+7 4,83e+8 SX: Нормальное напряжение X 4,35e+7 4,83e+8 SY: Нормальное напряжение Y 2,82e+7 4,83e+8 SZ: Нормальное напряжение Z 1,63e+7 4,83e+8
Допускаемыенапряжения растяжения-сжатия равны для литой углеродистой стали – 4,83e+8 Н/м2. Максимальные напряжения растяжения / сжатия испытываетповерхность детали в месте приложения нагрузки, но они меньше, чем пределпрочности для используемого материала. Следовательно, конструкция обеспечиваетзапас по прочности и является работоспособной.
Таблица 3.5 – Результаты исследования перемещенийТип Возникающие перемещения, м
URES:
Результирующее перемещение 3,556e – 005 UX: Перемещение X 2,735e – 005 UY: Перемещение Y 8,450e – 006 UZ: Перемещение Z 4,620e – 006
Если рассмотретьперемещения при различных усилиях резания, то получаем следующие данные,представленные в таблице 3.6.
Таблица 3.6 – Упругие перемещения при различных режимах резания, мкм.Режимы резания Возникающие перемещения, мкм
PX = 1105 Н
PY = 884 Н
PZ = 2210 Н 35,56
PX = 928 Н
PY = 742 Н
PZ = 1855 Н 32,28
PX = 691 Н
PY = 553 Н
PZ = 1380 Н 27,39
Из таблицы упругих перемещений при различных нагрузках видно, что применьших силах резания возникающие перемещения уменьшаются и на отклонениерасчетной точки влияет жесткость радиального подшипника задней опоры идвухрядного упорно-радиального шарикового подшипника.
Расчетнормальных деформаций при наибольших силах резания показывает, что максимальныедеформации возникают в месте приложения нагрузки на поверхности детали.Нормальные деформации по осям приведены в таблице 3.7.
Таблица 3.7 – Результаты исследования деформацийТип Возникающие деформации ESTRN: Эквивалентная деформация 1,354e – 004 EPSX: Нормальная деформация по оси X 9,390e – 005 EPSY: Нормальная деформация по оси Y 9,817e – 005 EPSZ: Нормальная деформация по оси Z 3,161e – 005
По полученнымрезультатам исследований можно сделать следующие выводы:
Максимальныенапряжения растяжения / сжатия испытывает поверхность детали в местеприложения нагрузки, но они меньше, чем предел прочности для используемого материала 4,69e+7Н/м2
Максимальные перемещения испытывают корпуса стола, задней и приводнойопор по трем осям, что говорит о влиянии подшипников, установленных в этихкорпусах, на точность обработки.
Максимальные деформации испытывает поверхность детали в месте приложениянагрузки и составляет 1,354е-004.
3.2 Анализ жесткости поворотногостола CNC200R
Упрощенная модель сборки поворотного стола CNC 200R с приспособлением иобрабатываемой деталью представлена на рисунке 3.6. Расчетная модель снагрузками представлена на рисунке 3.7.
Фиксация основания стола осуществляетсяограничениями по нижней плоскости. Действия сил резания моделируютсяприложением дистанционной нагрузки к обрабатываемой площадке детали.Подшипниковый редуктор в расчетной схеме представлен в виде осевой и радиальнойжесткости приводной опоры и задается через упругую связь (пружину) междуповерхностью корпуса и фланцем поворотной части. Подшипники задней бабки вмодели показаны в виде внутреннего и наружного кольца и представлены радиальнойи осевой жесткостью аналогично. Вращающий момент с учетом редукцииприкладывается к фланцу поворотной части в приводной опоре.
В данной расчетной схеме учтены материалы всех основных элементовконструкции, массовые характеристики всех элементов конструкции, а также силатяжести, действующая на представленный узел.
Все данные о материалах деталей (объем, масса, свойства), значениях, направленияхи местах приложения сил, видах примененных соединений, представлены ниже в видетаблиц.
Таблица 3.8 – Материалы деталей
№
Элемент
Материал
Масса, кг
Объем, м3 1 Корпус
Серый чугун СЧ20
ГОСТ 1412–85 36.7579 0.00510527 2 Втулка Сталь 40Х ГОСТ 4345–74 1.8462 0.000236692 3 Плита под мотор
Серый чугун СЧ20
ГОСТ 1412–85 3.00653 0.000417573 4 Планшайба
Серый чугун СЧ20
ГОСТ 1412–85 9.0672 0.00125933 5 Корпус задней бабки
Серый чугун СЧ20
ГОСТ 1412–85 20.1679 0.0028011 6 Стакан Сталь 40Х ГОСТ 4345–74 5.78763 0.000742003 7 Шпиндель Сталь 40Х ГОСТ 4345–74 3.85321 0.000494001 8 Втулка Сталь 40Х ГОСТ 4345–74 0.514593 6.59734e-005 9 Втулка Сталь 40Х ГОСТ 4345–74 0.367566 4.71239e-005 10 Кольцо наружное Сталь ШХ15 ГОСТ 801–78 0.253998 3.29867e-005 11 Кольцо внутреннее Сталь ШХ15 ГОСТ 801–78 0.181427 2.35619e-005 12 Плита
Серый чугун СЧ20
ГОСТ 1412–85 30.7453 0.00427019 13 Деталь
Литая углеродистая сталь
ГОСТ 977–88 20.3644 0.00261082 14 Стакан Сталь 40Х ГОСТ 4345–74 1.08912 0.00013963 15 Прихват Сталь 45 ГОСТ 1050–88 0.769769 9.86883e-005 16 Опора Сталь 45 ГОСТ 1050–88 0.153153 1.9635e-005 17 Опора-винт Сталь 45 ГОСТ 1050–88 0.0401627 5.14907e-006 18 Стойка Сталь 40Х ГОСТ 4345–74 0.528102 6.77054e-005 19 Клин
Серый чугун СЧ20
ГОСТ 1412–85 0.541559 7.52166e-005 20 Корпус
Серый чугун СЧ20
ГОСТ 1412–85 1.5876 0.0002205 21 Винт Сталь 45 ГОСТ 1050–88 0.0283933 3.64017e-006
Таблица 3.9 – Нагрузки и ограничения
Ограничение/нагрузка
Описание Крепление Лишение всех степеней свободы мест крепления основания по оси Z. Вращающий момент Вращающий момент 600 Нм приложен к фланцу поворотной части относительно выбранной исходной точки, по оси Сила тяжести
Сила тяжести относительно плоскости «Сверху» с гравитационным ускорением 9.81 м/с2. Дистанционные нагрузки Прямой перенос сил резания к месту обработки.
Таблица 3.10 – Определение соединителей
Соединение
Описание Соединитель-пружина – 1.
Жесткость радиально-упорного подшипника 46114 задней опоры:
осевая –1,12е+008 Н/м;
радиальная – 2,01е+008 Н/м. Соединитель-пружина – 2.
Жесткость радиально-упорного подшипника 46114 задней опоры:
осевая – 1,12е+008 Н/м;
радиальная – 2,01е+008 Н/м. Соединитель-пружина – 3.
Жесткость интегрированных радиально-упорных подшипников редуктора:
осевая – 4,65е+008 Н/м;
радиальная – 1,55е+008 Н/м.
Расчетэквивалентных напряжений при наибольших силах резания показывает, чтомаксимальные напряжения возникают в месте приложения нагрузки на поверхностидетали. Действующиенапряжения растяжения-сжатия по Von Mises по осям приведены в таблице 3.11.
Таблица 3.11 – Результаты исследования эквивалентных напряженийТип
Возникающие напряжения, Н/м2
Предел прочности Н/м2 VON: Напряжение Von Mises 4,29e+7 4,83e+8 SX: Нормальное напряжение X 5,456+7 4,83e+8 SY: Нормальное напряжение Y 2,125e+7 4,83e+8 SZ: Нормальное напряжение Z 1,284e+7 4,83e+8
Допускаемые напряжения растяжения-сжатия равны для литой углеродистойстали – 4,83e+8 Н/м2. Максимальные напряжения растяжения / сжатия испытывает поверхностьдетали в месте приложения нагрузки, но они меньше, чем предел прочности дляиспользуемого материала. Следовательно, конструкция обеспечивает запас попрочности и является работоспособной.
Таблица 3.12 – Результаты исследования перемещенийТип Возникающие перемещения, м
URES:
Результирующее перемещение 4,178e – 005 UX: Перемещение X 2,158e – 006 UY: Перемещение Y 2,191e – 005 UZ: Перемещение Z 2,433e – 005
Из эпюры статическихперемещений видно, что максимальные перемещения испытывает поверхность плиты состороны приложения силы, которая непосредственно воспринимает нагрузки.
Если рассмотреть перемещения при различных усилиях резания, то получаемследующие данные, представленные в таблице 3.13.
Таблица 3.13 – Упругие перемещения при различных режимах резания, мкм.Режимы резания Возникающие перемещения, мкм
PX = 1105 Н
PY = 884 Н
PZ = 2210 Н 41,78
PX = 928 Н
PY = 742 Н
PZ = 1855 Н 38,48
PX = 691 Н
PY = 553 Н
PZ = 1380 Н 33,07
Из таблицы упругих перемещений при различных нагрузках видно, что применьших силах резания возникающие перемещения уменьшаются, и основным фактором,влияющим на отклонение расчетной точки, является невысокая жесткость парырадиально-упорных подшипников задней бабки.
Расчетнормальных деформаций при наибольших силах резания показывает, что максимальныедеформации возникают в месте приложения нагрузки на поверхности детали. Такжепри приложении нагрузки заметна деформация плиты, на которой установленаобрабатываемая деталь.
Таблица 3.14 – Результаты исследования деформацийТип Возникающие деформации ESTRN: Эквивалентная деформация 1,568e – 004 EPSX: Нормальная деформация по оси X 3,209e – 004 EPSY: Нормальная деформация по оси Y 1,209e – 004 EPSZ: Нормальная деформация по оси Z 0,749e – 004
Таким образом, результаты исследований в среде SolidWorks Simulationпоказали, что наибольшие напряжения и деформации испытывает поверхность детали,к которой непосредственно приложены усилия резания, а наибольшие перемещения –поверхность плиты со стороны приложения нагрузки.
Конструкция поворотного стола в целом обеспечивает небольшой необходимыйзапас по прочности. Слабым звеном конструкции является плита, на которой устанавливаетсядеталь. Она испытывает довольно большие напряжения и значительно деформируется.Замена материала плиты на более прочный и увеличение числа ребер жесткостипозволит уменьшить влияние нагрузок на плиту. Также необходимо пересмотретьконструкцию задней бабки, так как наибольшая точность обработки обеспечиваетсяпри небольших силах резания. Это в свою очередь накладывает ограничение наиспользование прогрессивных режимов резания при необходимости уменьшениявремени обработки.
3.3 Анализ жесткости новойконструкции стола CNC200R
В ходе анализа напряженно-деформированного состояния поворотного стола CNC200R было выявлено, что базовый вариант вследствие недостаточнойжесткости не обеспечивает требуемую точность обработки детали при высоких усилияхрезания.
Для улучшения показателей по напряжениям, перемещениям и деформациям предлагается:
а) пересмотреть конструкцию задней бабки и заменить парурадиально-упорных подшипников серии 46114 на пару радиально-упорных подшипниковсерии 46115 большего типоразмера с целью повышения жесткости и увеличениянатяга между кольцами подшипника;
б) заменить материал плиты серый чугун СЧ20 на материал высокопрочныйчугун ВЧ42 с лучшими прочностными характеристиками;
в) оптимизировать конструкцию плиты по критериям жесткости, увеличивколичество и размер ребер жесткости.
Расчет оптимизированной конструкции выполнен также в средеSolidWorks Simulation 2009. В новой конструкции жесткость пары радиально-упорныхподшипников задней бабки составляет: радиальная – 1,89е+008Н/м; осевая –1,36е+008Н/м. Материал плиты – серый чугун СЧ20 заменяем на высокопрочный чугунВЧ42 с лучшими прочностными и упругими характеристиками.
Эпюра эквивалентных напряжений представлена на рисунке 3.11. Действующиенапряжения растяжения-сжатия приведены в таблице 3.15.
Таблица 3.15 – Результаты исследований эквивалентных напряженийТип
Возникающие напряжения, Н/м2
Предел прочности Н/м2 VON: Напряжение Von Mises 1,89e+7 4,83e+8 SX: Нормальное напряжение X 2,23e+7 4,83e+8 SY: Нормальное напряжение Y 1,55e+7 4,83e+8 SZ: Нормальное напряжение Z 1,01e+7 4,83e+8
/>
Рисунок 3.11– Эпюра эквивалентных нормальных напряжений
Эпюра упругих перемещений представлена на рисунке 3.12. Перемещенияпо осям приведены в таблице 3.16.
Таблица 3.16 – Результаты исследования перемещенийТип Возникающие перемещения, м
URES:
Результирующее перемещение 2,019e – 005 UX: Перемещение X 1,771e – 005 UY: Перемещение Y 1,169e – 005 UZ: Перемещение Z 1,247e – 005
/>
Рисунок 3.12– Эпюра упругих перемещений
Эпюра эквивалентных деформаций представлена на рисунке 3.13. Перемещенияпо осям приведены в таблице 3.17.
Таблица 3.17 – Результаты исследования деформацийТип Возникающие деформации ESTRN: Эквивалентная деформация 7,118e – 005 EPSX: Нормальная деформация по оси X 4,818e – 005 EPSY: Нормальная деформация по оси 4,751e – 005 EPSZ: Нормальная деформация по оси Z 5,85e – 005
/>
Рисунок 3.13– Эпюра эквивалентных нормальных деформаций
По полученнымрезультатам исследований можно сделать следующие выводы:
Максимальныенапряжения растяжения / сжатия для новой конструкции поворотного стола CNC200R меньше, чем для базовой конструкции:
1,89e+007 Н/м2
Максимальныеперемещения для новой конструкции поворотного стола CNC200R меньше, для базовой конструкции:
2,019е-005 м
Максимальныедеформации для новой конструкции поворотного стола CNC200R меньше, для базовой конструкции:
7,118е-005
Следовательно, по полученным результатам можно сделать выбор в пользу новойконструкции поворотного стола CNC200R, так как у нее получились меньшиезначения максимальных эквивалентных напряжений, перемещений и деформаций. Новыйвариант конструкции обладает большей жесткостью и обеспечивает требуемуюточность обработки детали.
4. Анализ точности базовой иновой конструкции стола CNC200R
Проектированиестанков и отдельных узлов и механизмов в значительной степени подчиняетсякритерию точности. К этому критерию относятся точность изготовления исохранение точности в работе. На точность обработанного изделия влияют точностьопорной поверхности для базирования заготовки (плоскостность столов иприспособлений), точность движения рабочих органов (точность вращенияшпинделей, точность направления перемещения столов и суппортов), точностьвзаимного расположения базовых поверхностей и множество других факторов.
Рассмотрим факторы,влияющие на точность обработки детали при использовании поворотного стола CNC200R.
Погрешностьустановки заготовки суммируется из погрешностей базирования εБ,закрепления εЗ и погрешности положения заготовки, вызываемой неточностьюприспособления.Неточность поворотнойплиты для установки детали, закрепляемой между поворотным столом и заднейбабкой, вызывает неточность изготовления изделия. Перпендикулярность плитыотносительно опор составляет 0,002 мм, перпендикулярность плитыотносительно основания стола – 0,002 мм. Несоблюдение допускаперпендикулярности приведет к искривлению положения оси, что в свою очередьоказывает влияние на точность детали. Плита крепится к поворотному столупосредством планшайбы, перпендикулярность которой относительно горизонтальнойоси составляет 0,005 мм. Допуск перпендикулярности положения корпуса заднейбабки в вертикальном положении составляет 0,005 мм.
К отклонениюв вертикальной плоскости также приведет радиальное биение шариковых радиально-упорныхподшипников в задней бабке, установленных с натягом и воспринимающих радиальнуюнагрузку, а также радиальное и незначительное осевое биение подшипниковогоредуктора в столе.
Составивуравнение баланса и сложив все отклонения, влияющие на точность обработкидетали, получаем:
/>
Сравнивбазовую и новую конструкцию поворотного стола CNC200R, видим что максимальноеперемещение в базовой конструкции превышает полученное значение отклонения.Максимальное перемещение в новой конструкции поворотного стола составляет 0,02019 мм,что удовлетворяет полученному значению.
Выводы
1. Конструкцииповоротных столов, применяемых в многоцелевых станках, отличаются по рядупризнаков, к которым относятся: количество осей вращения, положение осивращения, тип привода, тип используемой передачи, способ торможения, типредуктора, наличие устройства смены заготовок.
Наибольшееприменение на предприятии ОАО «Стерлитамак – М.Т.Е» получили столы,характеризующиеся следующими особенностями: преимущественно с вертикальной осьювращения, электромеханическим приводом, с применением подшипникового редуктора,с использованием гидравлического тормоза.
2.Моделирование поворотных столов с применением программного продукта SolidWorks Simulation 2009 показало, чтодвухосевой поворотный стол RTL500 характеризуется следующими отклонениями:
–максимальные напряжения растяжения / сжатия 4,69e+007Н/м2;
– максимальные перемещения составляют 3,556е-005 м;
– максимальные деформации 1,354е-004.
Отклонения поворотного стола CNC200R составляют:
–максимальные напряжения растяжения / сжатия 4,29e+007Н/м2;
– максимальные перемещения составляют 4,178е-005 м;
– максимальные деформации 1,568е-004.
Новый вариант конструкции поворотного стола модели CNC200R в сравнении с базовым вариантом характеризуетсяменьшими напряжениями на 46%, меньшими деформациями на 54%, меньшимиперемещениями на 52%.
3. Наосновании анализа баланса жесткости установлено, что к числу основных факторов,влияющих на жесткость конструкции в целом, относятся жесткость плиты, материалплиты, влияние радиально-упорных подшипников задней опоры.
4.Усовершенствованный вариант конструкции поворотного стола модели CNC200R характеризуется гораздоменьшими отклонениями по напряжению, перемещению и деформации в сравнении сбазовой конструкцией. Полученные результаты представлены ниже:
–максимальные напряжения растяжения / сжатия 1,89e+007 Н/м2;
– максимальные перемещения составляют 2,019е-005 м;
– максимальные деформации 7,118е-005.
Оптимизированная конструкция поворотного стола CNC200R отвечает требованиям по точности обрабатываемой детали и устраняетнедостатки базовой конструкции.
Список литературы
столповоротный махатронный двухосевой
1. Бейзельман Р.Д. Подшипникикачения: справочник – М.: Машиностроение, 1975. – 572 с.: ил.
2. Бушуев В.В. Практикаконструирования машин: справочник – М.: Машиностроение, 2006. – 448 с.:ил.
3. Васильев Г.Н. Автоматизацияпроектирования металлорежущих станков. – М.: Машиностроение. 1987. – 280 с.,ил.
4. Косов Н.П. технологическаяоснастка: вопросы и ответы. – М.: Машиностроение, 2005. – 304 с.
5. Кузнецов Ю.Н. Станкис ЧПУ. – К.:Высшая школа, 1991. – 278 с.: ил.
6. Решетов Д.Н. Деталии механизмы металлорежущих станков. – М.: Машиностроение, 1972. – Т. 1 – 664 с.;Т. 2. – 520 с.
7. СТИН: Ежемесячныйнаучно-технический журнал. – М.: СТИН, 2007. – №9: сентябрь (2007)