УДК 621.9.2
І.А. Бойко, магістр
В.В. Солоха, канд. техн. наук
Л.Й. Івщенко, д-р техн. наук
Запорізький національний технічний університет, м. Запоріжжя, Україна
ДИНАМІЧНИЙ АНАЛІЗ ПОВОРОТНОГО СТОЛА 5-КООРДИНАТНОГО ОБРОБНОГО ЦЕНТРУ
И.А. Бойко, магистр
В.В. Солоха, канд. техн. наук
Л.Й. Ивщенко, д-р техн. наук
Запорожский национальный технический университет, г. Запорожье, Украина
ДИНАМИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ПОВОРОТНОГО СТОЛА 5-КООРДИНАТНОГО ОБРАБАТЫВАЮЩЕГО ЦЕНТРА
Ihor Boiko, master
Vasyl Solokha, PhD in Technical Sciences
Leonid Ivshchenko, Doctor of Technical Sciences
Zaporizhzhya National Technical University, Zaporіzhzhya, Ukraine
DYNAMIC ANALYSIS OF 5-AXIS MILLING CENTRE TURNTABLE
Проведено динамічний аналіз двох положень поворотного стола 5-координатного обробного центру. Визначено шість ведучих частот і форм власних коливань, що лежать у діапазоні від 150 до 500 Гц. У результаті моделювання зміни жорсткості підвищенням і зменшенням модуля пружності елементів системи в два рази визначено, що найбільший вплив на ЧВК чинять міст і каретка. Моделювання комплексного збільшення жорсткості моста і каретки показало можливість підвищення частоти власних коливань (ЧВК) до 30 %, при цьому відбувається зменшення переміщень центру поворотного стола, що впливають на точність і якість оброблення.
Ключові слова: модальний аналіз, частота власних коливань, амплітуда.
Проведен динамический анализ двух положений поворотного стола 5-координатного обрабатывающего центра. Определено шесть ведущих частот и форм собственных колебаний, лежащих в диапазоне от 150 до 500 Гц. В результате моделирования изменения жесткости повышением и уменьшением модуля упругости элементов системы в два раза определено, что наибольшее влияние на частоту собственных колебаний оказывают мост и каретка. Моделирование комплексного увеличения жесткости моста и каретки показало возможность повышения частоты собственных колебаний до 30 %, при этом происходит уменьшение перемещений центра поворотного стола, влияющих на точность и качество обработки.
Ключевые слова: модальный анализ, частота собственных колебаний, амплитуда.
Dynamic analysis of two provisions of the five coordinate machining centres rotary table is carried out. Six defined leading frequencies and forms of the natural vibrations lying in the range from 150 to 500 Hz. As a result of rigidity change simulation by increase and decrease of system elements elastic modulus twice defined that the bridge and the carriage have the greatest impact on the frequency of natural vibrations. Modeling complex increase the rigidity of the bridge and carriage showed the possibility of increasing the frequency of natural vibrations up to 30%, with decreases movement of rotary table center, affecting the accuracy and quality of finish.
Key words: modal analysis, frequency of natural vibrations, amplitude.
Постановка проблеми. Застосування в авіабудівній промисловості багатокоординатних високошвидкісних обробних центрів зумовлено необхідністю отримання складнопрофільних поверхонь і зменшенням часу оброблення. Однак велика різноманітність матеріалів, що застосовуються в авіабудуванні, викликає необхідність використовувати обладнання в широких межах частот обертання і подач, внаслідок чого виникає необхідність проведення динамічного аналізу, що дозволить оцінити несприятливі умови роботи верстата, при яких збурюються коливання, що можуть привести до погіршення показників точності та якості оброблення поверхонь.
Поняття динамічної якості верстата має певні показники, до яких відносяться стійкість робочих процесів у верстаті (процеси різання і тертя), рівень вимушених і власних коливань, якість перехідних процесів [1; 2].
П’ятикоординатне оброблення характеризується циклічною зміною положення поворотного стола і може супроводжуватися зміною частоти власних коливань у значному діапазоні, наслідком чого буде періодичне виникнення резонансу впродовж циклу роботи верстата.
Мета статті. Для оцінювання динамічної якості поворотних столів 5-координатного обробного центру пропонується проведення модального і гармонічного аналізу конструкції за допомогою методу скінченних елементів (МСЕ). За базову конструкцію пропонується прийняти поворотний стіл верстата Picomax 820 VERSA. Модальний аналіз дозволяє визначити частоти і форми власних коливань елементів системи, або системи в цілому [3; 4; 5]. Гармонічний аналіз дозволяє відокремити частоти власних коливань, на яких мають місце локальні коливання елементів поворотного стола, що суттєво не впливатимуть на точність і якість оброблення.
Оцінювання динамічної якості поворотних столів умовно можна поділити на такі етапи:
1) розроблення геометричної моделі та її оптимізація;
2) створення математичної моделі: призначення властивостей матеріалів; встановлення обмежень на лінійні і кругові переміщення; призначення типів і властивостей взаємодії контактних елементів; генерація скінченно-елементної сітки;
3) розрахунок частот власних коливань поворотного стола;
4) проведення гармонічного аналізу. Визначення ведучих модальних частот;
5) визначення елементів системи, що значною мірою впливатимуть на значення частоти власних коливань;
6) висновки.
Виклад основного матеріалу. Аналіз частот власних коливань проведено для поворотного стола 5-координатного обробного центру Picomax 820 VERSA, що складається з каретки, яка переміщується двома лінійними напрямними кочення з трьома опорами кочення на кожній, передньої та задньої опор, моста та інших складових елементів (рис. 1). У передній опорі і мості розташовуються моментні електродвигуни, що передають крутний момент через кільця на вали, які з’єднані безпосередньо з мостом (обертання за віссю А) та з поворотним столом (обертання за віссю С).
Комбіновані підшипники кочення для поворотних столів, що монтуються у передній опорі і мості, а також циліндричний роликопідшипник, розташований у задній опорі, замінені кільцями з еквівалентними модулем пружності і моментом інерції, що забезпечують необхідні показники жорсткості і ваги.
Властивості матеріалів, з яких виготовлені деталі поворотного стола, наведені в табл. 1.
У передній і задній опорі, а також у мості розташований пристрій RotoClamp, що застосовується при установчих поворотах для запобігання провороту навколо осей А і С (на рис. 1 умовно не показаний).
а б
Рис. 1. Геометрична модель поворотного стола 5-координатного обробного центру:
а – загальний вигляд; б – розріз по опорах
Таблиця 1
Властивості елементів поворотного стола, що моделюються
|
Деталь |
Матеріал |
Модуль пружності Е,ГПа |
Коефіцієнт Пуассона µ |
Густина ρ, кг/м3 |
|
Вал привідний (вісь С,А) |
40ХН2МА |
215 |
0,3 |
7850 |
|
Ротор (вісь С,А) |
Сталь холоднокатана низьколегована 2212 |
210 |
0,3 |
7800 |
|
Статор (вісь С,А) |
Сталь холоднокатана низьколегована 2212 |
210 |
0,3 |
7800 |
|
Корпус задньої опори |
СЧ20 |
110 |
0,28 |
7200 |
|
Кільце (вісь С,А) |
40ХН2МА |
215 |
0,3 |
7850 |
|
Обертовий розподільник (вісь С,А) |
40ХН2МА |
215 |
0,3 |
7850 |
|
Міст |
СЧ20 |
110 |
0,28 |
7200 |
|
Підшипник YRT200 |
|
4,17 |
0,3 |
5792 |
|
Кришка нижня |
Алюміній |
70 |
0,34 |
2700 |
|
Підшипник NNU4924 |
|
23,5 |
0,3 |
5552,4 |
|
Корпус передньої опори |
СЧ20 |
110 |
0,28 |
7200 |
|
Каретка |
СЧ20 |
110 |
0,28 |
7200 |
|
Поворотний стіл |
40ХН2МА |
215 |
0,3 |
7850 |
|
Вал |
40ХН2МА |
215 |
0,3 |
7850 |
Скінченно-елементна модель складається з 101450 елементів, з’єднаних 184699 вузлами.
Окремі деталі з’єднані між собою контактними скінченними елементами, встановленими у зафіксоване положення (bonded). Між ротором та статором двигунів, а також статором і корпусом контакт не встановлюється. У місцях приєднання напрямних до каретки задаються нульові переміщення за трьома осями.
Затискання поворотних столів після здійснення переміщення моделюється обмеженням повороту навколо відповідних лінійних осей у місцях розташування затискних систем RotoClamp.
З метою оцінювання впливу положення поворотного стола на зміну частоти власних коливань були змодельовані варіанти повороту моста за віссю А: в нульовому положенні (А0) (рис. 2, а) і поворот на 90° (А-90) (рис. 2, б).
а б
Рис. 2. Геометрична модель двох досліджуваних варіантів повороту моста за віссю А: а – А0; б – А-90
Оскільки максимальна кількість обертів шпинделя досліджуваного верстата становить 14000 об/хв, то при роботі 4-зубою фрезою частота збурення від врізання леза фрези в заготовку становитиме 933 Гц. Для обох положень у визначеному діапазоні лежить 19 ЧВК.
Під час оброблення на верстаті деталей із жароміцних сплавів робочі швидкості різання не перевищують 30–45 м/хв, сили різання великі, а частоти обертання досягають 2000 об/хв. Амплітуда коливань у такому випадку буде значно більшою, ніж при високошвидкісному різанні, що характеризується зняттям малого припуску на великій швидкості і з малими зусиллями різання. Тому першу отриману частоту можна вважати достатньо високою (приблизно відповідає 2500 об/хв для 4-зубої фрези), а отже, вузол не буде відкликатися на силове різання на середніх і низьких частотах обертання шпинделя.
Порівнюючи ЧВК двох досліджуваних положень (табл. 2) поворотного стола, варто зазначити, що немає чіткої закономірності зміни величини частот. Зміна положення моста приводить як до збільшення, так і до зменшення частот, що значною мірою залежить від площини і напрямку переміщень. Величина зміни частоти максимально досягає 10 %.
Таблиця 2
Частоти власних коливань двох досліджуваних положень поворотного стола
|
№ частоти |
1 |
2 |
3 |
4 |
5 |
6 |
7 |
8 |
9 |
10 |
|
А0, Гц |
170 |
180 |
218 |
370 |
395 |
437 |
439 |
518 |
592 |
677 |
|
А-90, Гц |
169 |
184 |
228 |
356 |
412 |
447 |
456 |
570 |
604 |
677 |
|
№ частоти |
11 |
12 |
13 |
14 |
15 |
16 |
17 |
18 |
19 |
|
|
А0, Гц |
694 |
717 |
718 |
791 |
Наукова бібліотека ЧНТУ © 2012 |