satНАУКА и ТЕХНИКАScience & Technique2227-10312414-0392Belarusian National Technical Universitysat-42Research ArticleМАШИНОСТРОЕНИЕMECHANICAL ENGINEERINGМОДАЛЬНЫЙ АНАЛИЗ НЕСУЩЕЙ СИСТЕМЫ ТЯЖЕЛОГО ГОРИЗОНТАЛЬНОГО МНОГОЦЕЛЕВОГО СТАНКА С ПОМОЩЬЮ МЕТОДА КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВMODAL ANALYSIS OF CARRIER SYSTEM FOR HEAVY HORIZONTAL MULTIFUNCTION MACHINING CENTER BY FINITE ELEMENT METHODВасилевичЮ. В.VasilevichYu. V.

Доктор технических наук, профессор

dovnar@bntu.byДовнарС. С.DovnarS. S.

Кандидат технических наук, доцент

dovnar@bntu.byШумскийИ. И.ShumskyI. I.

Инжкнер

dovnar@bntu.byБелорусский национальный технический университетБеларусьBelarusian National Technical UniversityBelarusМЗОРБеларусьMZORBelarus201430082014041424Copyright © Василевич Ю.В., Довнар С.С., Шумский И.И., 20142014Василевич Ю.В., Довнар С.С., Шумский И.И.Vasilevich Y.V., Dovnar S.S., Shumsky I.I.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/42

Целью работы является обнаружение и анализ резонансных мод крупногабаритного фрезерно- сверлильно-расточного станка. Станок имеет подвижную стойку с вертикальной прорезью, в которой перемещается симметричная каретка с горизонтальным ползуном. Статическая жесткость машины невелика из-за больших размеров, поэтому нужно оценить виброактивность. Совместно выполнены виртуальные и натурные испытания станка. Моделирование произведено с помощью метода конечных элементов (МКЭ). В МКЭ-модели учтена не только жесткость корпусных деталей, но и податливость подшипников, приводов подач и направляющих. Модальный МКЭ-анализ выявил восемь резонансных мод, охватывающих весь станок. Они образуют нежелательную для обработки область от 12 до 75 Гц. Особую опасность представляют три близко расположенных резонанса - 31-37 Гц. Они являются разными комбинациями трех простых движений: вертикальной осцилляции каретки, горизонтальных колебаний ползуна и закручивания стойки. Достоверность МКЭ-расчета подтверждена натурными измерениями вибраций.

Обнаружен эффект стабилизации резонансных мод при вариации конструктивных параметров станка. Например, виртуальная замена чугуна на сталь в корпусных деталях почти не влияет на резонансные частоты. Повышение жесткости отдельных деталей, например ползуна, также слабо воздействует на картину резонансов. С другой стороны, стабильность резонансов позволяет обходить их при выборе частоты вращения шпинделя.

Рекомендуется ставить двойные приводы на все оси. Пара вертикальных винтов препятствует «клевковому» резонансу каретки на частоте 54 Гц. В главном приводе такого тяжелого станка нужно предусмотреть работу в зарезонансной области - с частотой шпинделя более 75 Гц. Для этого надо перейти к высокоскоростной обработке (ВСО).

The aim of the paper is to reveal and analyze resonance modes of a large-scale milling-drilling-boring machine. The machine has a movable column with vertical slot occupied by a symmetrical carriage with horizontal ram. Static rigidity of the machine is relatively low due to its large dimensions. So it is necessary to assess possible vibration activity. Virtual and operational trials of the machine have been carried out simultaneously. Modeling has been executed with the help of a finite element method (FEM). The FEM-model takes into account not only rigidity of machine structures but also flexibility of bearings, feed drive systems and guides. Modal FEM-analysis has revealed eight resonance modes that embrace the whole machine tool. They form a frequency interval from 12 to 75 Hz which is undesirable for machining. Three closely located resonances (31-37 Hz) are considered as the most dangerous ones. They represent various combinations of three simple motions: vertical oscillations of a carriage, horizontal vibrations of a ram and column torsion. Reliability of FEM- estimations has been proved by in-situ vibration measurements.

An effect for stabilization of resonance modes has been detected while making variations in design parameters of the machine tool. For example, a virtual replacement of cast iron for steel in machine structures practically does not have any effect on resonance frequencies. Rigidity increase in some parts (e.g. a ram) has also a small effect on a resonance pattern. On the other hand, resonance stability makes it possible to avoid them while selecting a spindle rotation frequency.

It is recommended to set double feed drives for all axes. A pair of vertical screws prevents a “pecking” resonance of the carriage at frequency of 54 Hz. It is necessary to foresee an operation of a main drive of such heavy machine tool in the above resonance interval with the spindle frequency of more than 75 Hz. For this purpose it is necessary to proceed to high-speed machining (HSM).

метод конечных элементовстанокрезонансвибрациявысокоскоростная обработкаfinite element methodmachine toolresonancevibrationhigh-speed machiningReferencesЗенкевич, О. Конечные элементы и аппроксимация: пер. с англ. / О. Зенкевич, К. Морган. - М. : Мир, 1986. - 312 с.Zenkevich, O., Morgan, K. (1986) Finite Elements and Approximation. Moscow, World (in Russian).Баланс жесткости стойки фрезерно-сверлильнорасточного станка с симметричным расположением шпиндельной бабки / В. И. Туромша [и др.] // Вестник Гомельского государственного технического университета имени П. О. Сухого. - 2012. - № 3 (50). - С. 19-29.Turomsha, V. I., Dovnar, S. S., Truskovsky, A. S., Shumsky, I. I. (2012) Rigidity Balance of Milling-Drilling- Boring Machine Stand with Equally-Spaced Location of Mandrel Stock. Vestnik Gomel'skogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Universiteta im. P. O. Sukhogo [Bulletin of P. O. Sukhoi State Technical University of Gomel], 3 (50), 19-29 (in Russian).Анализ эффективности оребрения траверсы продольно-фрезерного станка с подвижным порталом / В. И. Туромша [и др.] // Вестник Белорусского национального технического университета. - 2011. - № 6. - С. 19-28.Turomsha, V. I., Dovnar, S. S., Truskovsky, A. S., Tumi El’-Mabruk Abuzhafer Ali (2011) Analysis of Finning Efficiency in Plano-Milling Machine Traverse with Traveling Bridge. Vestnik BNTU [Bulletin of the Belarusian National Technical University], 6, 19-28 (in Russian).Повышение жесткости ползуна продольно-фрезерного станка с подвижным порталом / В. И. Туромша [и др.] // Вестник Полоцкого государственного университета. B. Промышленность. Прикладные науки. - 2011. - № 11. - С. 104-112.Turomsha, V. I., Dovnar, S. S., Truskovsky, A. S., Tumi El’-Mabruk Abuzhafer Ali (2011) Rigidity Increase of Plano-Milling Machine Slide with Traveling Bridge. Vestnik Polotskogo Gosudarstvennogo Universiteta. Seriia V: Prikladnye Nauki. Promyshlennost' [Bulletin of Polotsk State University. B. Industry. Applied Sciences], 11, 104-112 (in Russian).Анализ жесткости подвижного портала продольнофрезерного станка типа «Гентри» / В. И. Туромша [и др.] // Вестник Гомельского государственного технического университета имени П. О. Сухого. - 2011. - № 3 (46). - С. 15-28.Turomsha, V. I., Dovnar, S. S., Truskovsky, A. S., Tumi El’-Mabruk Abuzhafer Ali (2011) Rigidity Analysis of Traveling Bridge in “Gentry” Plano-Milling Machine. Vestnik Gomel'skogo Gosudarstvennogo Tekhnicheskogo Unversiteta im. P. O. Sukhogo [Bulletin of P. O. Sukhoi State Technical University of Gomel], 3 (46), 15-28 (in Russian).Модальный анализ портала тяжелого продольнофрезерного станка типа «Гентри» / В. И. Туромша [и др.] // Вестник Полоцкого государственного университета. Промышленность. Прикладные науки. - 2013. - № 3. – C/38-48.Turomsha, V. I., Tumi El’-Mabruk Abuzhafer Ali, Kovaleva, I. L., Dovnar, S. S., Shumsky, I. I. (2013) Modal Analysis of Bridge in Heavy “Gentry” Plano- Milling Machine. Vestnik Polotskogo Gosudarstvennogo Universiteta. Seriia V: Prikladnye Nauki. Promyshlennost' [Bulletin of Polotsk State University. B. Industry. Applied Sciences], 3, 38-48 (in Russian).Lopez de Lacalle, L. N. Machine Tools for High- performing Machining / L. N. Lopez de Lacalle, A. Lamikiz, A. Celaya. - Springer, 2009. - 442 p.Lopez de Lacalle, L. N., Lamikiz, A., Celaya, A. (2007) Machine Tools for High Performance Machining. Springer. doi: 10.1007/978-1-84800-380-4_6.Кудинов, В. А. Динамика станков / В. А. Кудинов. - М. : Машиностроение, 1967. - 359 с.Kudinov, V. A. (1967) Dynamics of Machine Tools. Moscow, Mashinostroenie (in Russian).Кунец, Г. Высокоскоростная обработка и традиционный технологический базис: преодоление несовместимости / Г. Кунец // Мир техники и технологий. - 2004. - № 6. - с. 35-37.Kunets, G. (2004) High-Speed Machining And Conventional Technological Basis: Overcoming Incompatibility. Mir Tekhniki i Tekhnologiy [World of Technique and Technology], 6, 35-37 (in Russian).Schmitz, T. Three Component Receptance Coupling Substructure Analysis for Tool Point Dynamics Prediction / T. Schmitz, G. S. Duncan // ASME Journal of Manufacturing Science and Engineering. - 2005. - No 127 (4). - P. 781-790.Schmitz, T., Duncan, G. S. (2005) Three Component Receptance Coupling Substructure Analysis for Tool Point Dynamics Prediction. Journal of Manufacturing Science and Engineering, Transactions of the ASME, 127 (4), 781-790. Doi: 10.1115/1.2039102.Stability Prediction for Milling / J. Gradisek [et al.] // International Journal of Machine Tools and Manufacture. - 2005. - Vol. 45. No 7-8. - P. 769-781.Gradisek, J., Kalveram, M., Insperger, T., Weinert, K., Stepan, G., Govekar, E., Grabec, 1 (2005) Stability Prediction for Milling. International Journal of Machine Tools and Manufacture, 45 (7-8), 769-781. Doi: 10.1016/j.ijmachtools.2004.11.015.Altintas, Y. Chatter Stability of Metal Cutting and Grinding / Y. Altintas, M. Weck // Keynote Paper, Annals of the CIRP. - 2004. - No 53 (2). - P. 619-642.Altintas, Y., Weck, M. (2004) Chatter Stability of Metal Cutting and Grinding. CIRP Annals - Manufacturing Technology, 53 (2), 619-642.

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