satНАУКА и ТЕХНИКАScience & Technique2227-10312414-0392Belarusian National Technical University10.21122/2227-1031-2017-16-3-196-205sat-1006Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGАНАЛИЗ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ БЕСЦЕНТРОВО-ЛЮНЕТНОГО ТОЧЕНИЯ КРУПНЫХ ВАЛОВFINITE ELEMENT ANALYSIS OF CENTRELESS-LUNETTE TURNING OF HEAVY SHAFTВасилевичЮ. В.VasilevichYu. V.

Доктор физико-математических наук, профессор

Professor, PhD in Physics and Mathematics

ДовнарС. С.DounarS. S.

Кандидат технических наук, доцент 

Адрес для переписки:  Довнар Станислав Станиславович  – Белорусский национальный технический университет, ул. Б. Хмельницкого, 9, 220013, г. Минск. Тел.: +375 17 293-93-58   dovnar@bntu.by

Associate Professor, PhD in Engineering 

Address for correspondence:  Dounar Stanislav S. – Belarusian National Technical University, 9 B. Hmelnitzkogo str., 220013, Minsk, Republic of Belarus. Tel.: +375 17 293-93-58   dovnar@bntu.by

dovnar@bntu.byБелорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarus201726052017163196205Copyright © Василевич Ю.В., Довнар С.С., 20172017Василевич Ю.В., Довнар С.С.Vasilevich Y.V., Dounar S.S.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://sat.bntu.by/jour/article/view/1006

Смоделирована динамика тяжелого токарного станка после планируемой реновации. Оригинальная схема точения касается чистовой обработки крупных роторных валов. Высоко расположенные детали и фрезерная головка могут создавать динамические проблемы. Поэтому проведено МКЭ-моделирование в статической, модальной и гармонической постановках. Несущая система для удержания вала состояла из станины, суппорта, инструмента и задней бабки. Передняя бабка в данной схеме точения не участвовала. Оказалось, что статическая и динамическая жесткость для суппорта в 3–4 раза меньше, чем для вала. Жесткость на инструменте снижается с 186,5 до 11,9 Н/мкм при переходе от статики к точению вблизи резонанса суппорта. Оценено двенадцать резонансных мод. Две моды признаны наиболее опасными. Это «раскачка вала в люнетах» (M1, 26,7 Гц) и «клевки суппорта» (M3, 54,4 Гц). Показана избыточная податливость станины, имеющей недостаточно жесткое оребрение и сквозные отверстия. Заполнение станины полимербетоном умеренно эффективное. Переход от двухлюнетной (2L) схемы поддержки вала к трехлюнетной (3L) дает хороший рост жесткости в статике (2,09 раза), но ограниченный эффект в динамике. Высоты резонансных пиков снижаются не более чем в 1,32 раза для M1 и M3. Обнаружен эффект динамического гашения при сближении высокого суппорта со средним люнетом. Суппорт выступает динамическим демпфером. Проанализированы меры усиления несущей системы станка. Установлено, что раскачка обрабатываемого вала по M1 плохо блокируется пассивно-конструктивными средствами. Резонанс лучше обходить при назначении режимов резания. Резонанс M3 «клевки суппорта» можно поднять в область высоких частот и одновременно снизить его амплитуду. Это достигается применением сразу всех мер усиления. Частичное усиление малоэффективно. Для фрезерования и точения на тяжелом станке рекомендованы три диапазона: дорезонансный (<20 Гц), межрезонансный (35–45 Гц) и зарезонансный (>65 Гц). Последний диапазон предпочтителен из-за зарезонансного демпфирования как вала, так и суппорта. Следующим конструктивным шагом должно стать добавление в станину треугольных связей или кессонов.

Dynamics of huge renovated lathe is simulated. Turning scheme concerns to heavy rotor shaft finishing. Lofty parts and milling head may create dynamic problems. Static, modal and harmonic frequency response function simulations were provided. Bearing system consists of bed, support, tool, lunettes, tailstock. Headstock didn’t take part in shaft holding. Static and dynamic rigidities founded 3–4 times less for support than for shaft. Tool rigidity lessens from 186.5 to 11.9 N/µm for speeding from slow to near resonance turning. Twelve lathe eigenmodes were evaluated. Two eigenmodes are most dangerous. It is “shaft swinging on lunettes” (M1, 26.7 Hz) and “support pecking” (M3, 54.4 Hz). Bed has excessive flexibility due to through holes and lack of inner ribbing. Polymer concrete filling is moderately effective. Changing two-lunette (2L) scheme to three-lunette (3L) increases rigidity of shaft at 2.09 times at statics but gives limited action in dynamics. Resonant peaks on frequency response function are lowered only at 1.32 times for M1, M3. Effect of dynamic damping is revealed under condition of proximity middle lunette to lofty support. Support serves as tuned mass damper. Measures of machine tool reinforcement are simulated. Shaft swinging according to M1 may hardly be blocked by passive means. It would be better to bypass it. “Support pecking” resonance (M3) succumbs to only full set of measures. Small effect of partial reinforcement is predicted. Three frequency intervals are recommended for turn-milling at huge lathe: pre-resonant (<20 Hz), inter-resonant (35–45 Hz) and post-resonant (>65 Hz). The last one is more suited. Next design step is to create triangle inner ribbing system or caissons inside of bed.

анализ методом конечных элементоввращениетокарный станокроторжесткостьрезонансамплитудно-частотная характеристикавибрациялюнетбетонfinite element analysisturninglatherotorrigidityresonancefrequency response functionvibrationlunetteconcreteReferencesЗенкевич, О. Конечные элементы и аппроксимация / О. Зенкевич, К. Морган. М.: Мир, 1986. 312 с.Zenkevich O., Morgan K. (1983) Finite Elements and Approximation. New York, John Wiley & Sons. 328 (Russ. ed.: Zenkevich O., Morgan K. (1986) Konechnye Elementy i Approksimatsiia. ?oscow, Mir. 312).Браиловский, М. И. Металлобетонные базовые конструкции металлорежущих станков / М. И. Браиловский, А. Г. Воскобойник, А. А. Воскобойник. Коломна: Воентехиздат, 2010. 76 с.Brailovsky M. I., Voskoboynik A. G., Voskoboynik A. A. (2010) Metal concrete basic structures of metal cutting machines. Kolomna, Voentekhizdat Publ. 76 (in Russian).Simon, M. Study of Improving Static Rigidity on Machine Tool Structure Using Concrete Component / M. Simon, A. L. Grama, M. Ganea // The 6th International Conference INTER-ENG 2012. Interdisciplinarity in Engineering. Romania: «Petru Maior» University of Tîrgu Mureş, 2012. Р. 26–29.Simon M., Grama A. L., Ganea M. (2012) Study of Improving Static Rigidity on Machine Tool Structure Using Concrete Component. The 6th International Conference INTER-ENG 2012. Interdisciplinarity in Engineering. Romania, «Petru Maior» University of Tîrgu Mure?, 26–29.Довнар, С. С. Виртуальное исследование статических деформаций роторного вала в сверхтяжелом токарном станке / С. С. Довнар // Теоретическая и прикладная механика: междунар. науч.-техн. сборник. Минск: БНТУ, 2017. Вып. 32. С. 72-78.Dovnar S. S. (2017) Virtual investigation of static deformations in rotor shaft of super heavy turning lathe. Teoreticheskaya i prikladnaya mekhanika: mezhdunar. nauch.-tekhn. sbornik [Theoretical and Applied Mechanics. International Scientific and Technical Collected Volume]. Minsk, BNTU, (32), 72–78 (in Russian).Кудинов, В. А. Динамика станков / В. А. Кудинов. М.: Машиностроение, 1967. 359 с.Kudinov V. A. (1967) Dynamics of machine tools. Moscow, Mashinostroyenie Publ. 359 (in Russian).Козловский, Н. А. Жесткость и виброустойчивость тяжелых фрезерных станков / Н. А. Козловский, М. П. Зайкин. Минск: Наука и техника, 1986. 135 с.Kozlovsky N. A., Zaykin M. P. (1986) Rigidity and vibration resistance in heavy milling machines. Minsk, Nauka i Tekhnika Publ. 135 (in Russian).Баланс жесткости стойки фрезерно-сверлильно-расточного станка с симметричным расположением шпиндельной бабки / В. И. Туромша [и др.] // Вестник Гомельс. госуд. технич. ун-та имени П. О. Сухого. 2012. № 3. С. 19–29.Turomsha V. I., Dovnar S. S., Truskovsky A. S., Shumsky I. I. (2012) Rigidity balance of mill-drill-bore machine with equally-spaced location of spindle head. Vestn. Gomel'skogo gos. tekhn. un-ta imeni P. O. Sukhogo [Bulletin of Gomel State Technical University named after P. O. Sukhoi], (3), 19–29 (in Russian).Гармонический анализ порталов тяжелых продольно-фрезерных станков типа «Гентри» с помощью МКЭ / С. С. Довнар [и др.] // Вестник Полоцкого госуд. ун-та. Серия B. Промышленность. 2014. № 11. С. 25–36.Dovnar S. S., Yakimovich A. M., Kovaleva, I. L., Shumsky I. I. (2014) Harmonic analysis of portals for heavy “Gantry-type” peripheral milling machines while using finite element method (FEM). Vestnik Polotskogo Gosudarstvennogo Universiteta. Seriya B. Promyshlennost' [Bulletin of Polotsk State University. Series B. Industry], (11), 25–36 (in Russian).Василевич, Ю. В. Модальный анализ несущей системы тяжелого горизонтального многоцелевого станка с помощью МКЭ / Ю. В. Василевич, С. С. Довнар, И. И. Шумский // Наука и техника. 2014. № 4. С.14–24.Vasilevich Yu. V., Dovnar S. S., Shumsky I. I. (2014) Modal analysis of carrying system for heavy horizontal multi-purpose machine while using finite element method (FEM). Nauka i Tekhnika [Science & Technique], (4), 14–24 (in Russian).Моделирование и анализ динамики несущей системы фрезерно-сверлильно-расточного станка с моностойкой / Ю. В. Василевич [и др.] // Наука и техника. 2015. № 3. С. 9–19.Vasilevich Yu. V., Dovnar S. S., Truskovsky A. S., Shumsky I. I. (2015) Simulation and analysis of dynamics for carrying system of mill-drill-bore machine with mono column. Nauka i Tekhnika [Science & Technique], (3), 9–19 (in Russian).МКЭ-анализ влияния конструктивных вариантов портала на динамику портального станка / С. С. Довнар [и др.] // Машиностроение: Республиканский межведомственный сборник научных трудов. Минск: БНТУ, 2015. Вып. 29. С. 14–22.Dounar S. S., Sokorov I. O., Truskouski A. S., Shumsky I. I., Karabaniuk I. A. (2015) FEA Analysis of portal design variants influence on dynamics of portal machine tool. Mashinostroenie: Respublikanskii mezhvedomstvennyi sbornik nauchnykh trudov. [Mashinostroenie. Republican Interdepartmental Collection of the Scientific Works Proceedings], 29, 14–22 (in Russian).Василевич, Ю. В. Конечно-элементный анализ влияния бетонного наполнителя на динамическую жесткость портала тяжелого станка / Ю. В. Василевич, С. С. Довнар, И. А. Карабанюк // Наука и техника. 2016. Т. 15, № 3. С. 233–241 .Vasilevich Yu. V., Dounar S. S., Karabaniuk I. A. (2016) Finite-element analysis of influence of concrete filling material on dynamic rigidity of heavy machine portal. Nauka i Tekhnika [Science & Technique], 15 (3), 233–241 (in Russian). DOI:10.21122/2227-1031-2016-15-3-233-241.Lopez de Lacalle, L. N. Machine Tools for High Performance Machining // L. N. Lopez de Lacalle, A. Lamikiz. Springer, 2009. 442 p.Lopez de Lacalle L. N., Lamikiz A. (2009). Machine Tools for High Performance Machining. Springer. 442. DOI: 10.1007/978-1-84800-380-4Stability Prediction for Milling / J. Gradisek [et al.] // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2005. Vol. 45, No 7–8. Р. 769–781.Gradišek J., Kalveram M., Insperger T., Weinert K., Stépán G., Govekara E., Grabec I. (2005) On Stability Prediction for Milling. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 45 (7–8), 769–781. DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2004.11.015Schmitz, T. Three component receptance coupling substructure analysis for tool point dynamics prediction /Т. Schmitz, G. S. Duncan // ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering. 2005. Vol. 127, №4. Р. 781–790.Schmitz T., Duncan G. S. (2005) Three component receptance coupling substructure analysis for tool point dynamics prediction. ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering, 127 (4), 781–790. DOI: 10.1115/1.2039102

The authors declare that there are no conflicts of interest present.