АНАЛИЗ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ БЕСЦЕНТРОВО-ЛЮНЕТНОГО ТОЧЕНИЯ КРУПНЫХ ВАЛОВ

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.

1. Зенкевич, О. Конечные элементы и аппроксимация / О. Зенкевич, К. Морган. М.: Мир, 1986. 312 с.

2. Браиловский, М. И. Металлобетонные базовые конструкции металлорежущих станков / М. И. Браиловский, А. Г. Воскобойник, А. А. Воскобойник. Коломна: Воентехиздат, 2010. 76 с.

3. 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.

4. 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.

5. Кудинов, В. А. Динамика станков / В. А. Кудинов. М.: Машиностроение, 1967. 359 с.

6. Козловский, Н. А. Жесткость и виброустойчивость тяжелых фрезерных станков / Н. А. Козловский, М. П. Зайкин. Минск: Наука и техника, 1986. 135 с.

7. 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.

8. 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.

9. 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.

10. 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.

11. 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.

12. 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 .

13. Lopez de Lacalle, L. N. Machine Tools for High Performance Machining // L. N. Lopez de Lacalle, A. Lamikiz. Springer, 2009. 442 p.

14. Stability Prediction for Milling / J. Gradisek [et al.] // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2005. Vol. 45, No 7–8. Р. 769–781.

15. Schmitz, 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.