автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Обеспечение технологической надежности специального агрегатного оборудования со сварными корпусными деталями

ПОРХУНОВ Сергей Геннадьевич

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ СПЕЦИАЛЬНОГО АГРЕГАТНОГО ОБОРУДОВАНИЯ СО СВАРНЫМИ КОРПУСНЫМИ

ДЕТАЛЯМИ

Специальности: 05.02.08 - Технология машиностроения

05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

о з мдр

Москва - 2011

4839871

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированные станочные системы и инструменты» Московского государственного технического университета «МАМИ».

Научный руководитель: Научный консультант:

кандидат технических наук, профессор Михайлов Виталий Алексеевич кандидат технических наук, доцент Анкин Александр Вячеславович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Кузнецов Павел Михайлович кандидат технических наук, доцент Черепахин Александр Александрович

Ведущее предприятие:

ФГУП ММПП «САЛЮТ», г. Москва

Защита диссертации состоится 17 марта 2011 г. в 12 ^ часов на заседании

диссертационного совета ДМ 212.140.02 при Московском государственном

техническом университете «МАМИ» по адресу: 107023, Москва, ул. Большая

Семёновская, д. 38, ауд. Б-304.

Автореферат размещен по адресу www.mami.ru

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ «МАМИ».

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения,

просим направлять в адрес ученого секретаря диссертационного совета.

E-mail: ershovl947@yandex.ru

Автореферат разослан «//» февраля 2011 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета ^

д. т. н., проф. М.Ю.Ершов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Решение задачи обеспечения технологической надежности специальных агрегатных станков предполагает рассмотрение комплекса вопросов, связанных с обеспечением жизненного цикла технологического процесса и оборудования. В работе решается специфическая задача обеспечения технологической надежности процесса расснаряжения химических боеприпасов калибра 85, 120, 122, 130, 140, 152, 220 мм. К технологическому процессу предъявляются высокие требования по производительности и экологической безопасности. Линия расснаряжения, в которую входят четыре агрегатных станка, работает автономно и круглосуточно, с перерывами на технологическое обслуживание. Однако, как показала практика применения опытных образцов оборудования, из-за недостаточно жесткой сварной базовой несущей системы станка, происходят значительные смещения траектории движения инструмента от требуемой, что приводит к его отклонению от перпендикулярности и, следовательно, к быстрому его изнашиванию, вплоть до заклинивания и поломки из-за перекосов. Поскольку процедура смены инструмента занимает около 60 минут, то она должна быть совмещена по времени с технологическим обслуживанием автоматической линии расснаряжения.

Проблемами обеспечения технологической надежности станков занимается большое число ученых. Данная работа базируется на положениях теории динамики станков, разработанной Кудиновым В. А., теории надежности технологических систем, разработанной Прониковым A.C., работах Аверьянова О.И., Базрова Б.М., Бушуева В.В., Дащенко А.И., Кузнецова П.М., Михайлова В.А., Таратынова О.В., Тимирязева В.А., Чернянского П.М. и других ученых.

Одним из путей решения проблемы обеспечения технологической надежности процесса обработки на специальных агрегатных станках является увеличение жесткости сварной базовой несущей системы станка. Однако, в большинстве работ при проектировании сварных корпусных деталей металлорежущих станков используются расчетные • схемы, в которых не учитываются сварные швы, или делаются существенные допущения. Такой подход не позволяет выполнить рациональное проектирование и приводит к существенному увеличению габаритов и массы оборудования.

Диссертация посвящена комплексному исследованию проблемы обеспечения технологической надежности замкнутой технологической системы, включающей в себя сварную базовую несущую систему, шпиндельные бабки,

механизм подачи и закрепления обрабатываемых изделий, а также узлы подачи, которая обусловлена деформациями сварной базовой несущей системы станка, с учетом местных деформаций ее отдельных элементов. Комплексный подход дает возможность разработки и внедрения новых, более точных и эффективных методик обеспечения технологической надежности оборудования. Таким образом, исследования, направленные на разработку научно обоснованных методик обеспечения технологической надежности и повышения стойкости инструмента при обработке на специальных агрегатных станках, посредством увеличения жесткости сварной базовой несущей системы, являются актуальной научной задачей и имеют практическую ценность.

ЦельИ) работы является обеспечение технологической надежности специальных агрегатных станков со сварной базовой несущей системой за счет разработки конструкторско-технологического процессора, решающего задачи определения их рациональных параметров и выбора условий обработки.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать методику обеспечения технологической надежности специальных агрегатных станков со сварной базовой несущей системой, предназначенных для уничтожения артиллерийских боеприпасов, снаряженных отравляющими веществами.

2. Получить научно обоснованные зависимости для управления точностью обработки и определить рациональные условия эксплуатации оборудования.

3. Разработать классификацию сварных швов применяемых в корпусных деталях агрегатных станков, предназначенных для уничтожения артиллерийских боеприпасов, снаряженных отравляющими веществами.

4. Разработать методику моделирования типовых сварных швов, применяемых в корпусных деталях специальных агрегатных станков.

5. Выполнить исследования статических и динамических показателей качества моделей сварных швов, применяемых в корпусных деталях агрегатных станков предназначенных для уничтожения артиллерийских боеприпасов, снаряженных отравляющими веществами.

6. Разработать методику моделирования сварных корпусных деталей специальных агрегатных станков со сварной базовой несущей системой;

7. Разработать математическую модель специального агрегатного станка со сварной базовой несущей системой для оценки точности траектории движения инструмента.

8. Выполнить оценку адекватности созданных моделей реальным процессам.

9. Разработать практические рекомендации.

Научная новизна:

- по специальности 05.02.08 - Технология машиностроения:

1. Разработана методика определения отклонений траектории движения вершины инструмента, обусловленных деформациями отдельных элементов агрегатного станка.

2. Обоснована концепция обеспечения технологической надежности на специальных агрегатных станках со сварными корпусными деталями, за счет повышения жесткости их сварной базовой несущей системы.

3. Разработан конструкторско-технологический процессор для обеспечения технологической надежности специального агрегатного оборудовании со сварными соединениями в его несущей системе, путем рационального проектирования корпусных деталей и установления наилучших условий его эксплуатации.

- по специальности 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки:

1. Разработана и апробирована методика моделирования сварных корпусных деталей специальных агрегатных станков, основанная на применении метода конечных элементов в форме суперэлементов.

2. Разработана и исследована трехмерная модель специального агрегатного станка модели 1590, выпускаемого на ОАО «Станкоагрегат», с использованием метода конечных элементов в форме суперэлементов для моделирования сварных соединений в его несущей системе.

Практическая ценность данной работы заключается в следующем.

1. Разработаны рекомендации по обеспечению технологической надежности специального агрегатного оборудования, со сварными элементами в базовой несущей системе, выпускаемого на ОАО «Станкоагрегат».

2. Разработана методика расчета составляющих отклонений инструмента, обусловленных деформациями замкнутой технологической системы, включающей в себя сварную базовую несущую систему, шпиндельные бабки, механизм подачи и закрепления обрабатываемых изделий и узлы подачи.

3. Разработаны рекомендации по рациональному проектированию сварных

корпусных деталей, используемых в агрегатных станках, выпускаемых на ОАО

«Станкоагрегат», которые реализованы в новой конструкции сварной базовой

несущей системы специального агрегатного станка модели 1590, что позволило

5

повысить точность позиционирования инструмента на 36%, а его стойкость на 28%.

4. Создана библиотека моделей-модулей типовых сварных швов, применяемых в корпусных деталях агрегатных станков, выпускаемых на ОАО «Станкоагрегат» и методика моделирования их статических и динамических характеристик, основанная на методе суперэлементов.

Методы исследований. Исследования проводились на базе теории параметрической надежности станков, технологических основ проектирования станков, теории упругости, метода конечных элементов в форме суперэлементов. Экспериментальные исследования выполнены на специальных агрегатных станках моделей 1291 и 1590, выпускаемых ОАО «Станкоагрегат». Моделирование проводилось в программном комплексе ANSYS с использованием для расчета сварных швов подпрограммы «Модуль Генерации Суперэлементов (MGS 2010)», которая была разработана автором.

Реализация работы. Разработанная методика расчета составляющих отклонений инструмента и конструкторско-технологический процессор для обеспечения технологической надежности специального агрегатного оборудовании, путем рационального проектирования сварных корпусных деталей, использованы на ОАО «Станкоагрегат» при создании гаммы агрегатных станков моделей 1291 и 1590, предназначенных для расснаряжения химических боеприпасов. Результаты работы используются в учебном процессе на кафедре «Автоматизированные станочные системы и инструменты» МГТУ «МАМИ».

Апробация работы. Диссертационная работа рассмотрена и одобрена на заседании кафедры «Автоматизированные станочные системы и инструменты» МГТУ «МАМИ». Основные положения диссертации были представлены на Всероссийской научно-технической конференции «Новые материалы и технологии НМТ - 2008», Международном научном симпозиуме «Автотракторостроение - 2009», Международном симпозиуме «Надежность и качество 2009», Международном форуме «Современные тенденции в технологиях металлообработки и конструкциях металлообрабатывающих машин и механизмов», проходившем в рамках выставки «Металлообработка - 2009».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, три из которых в журналах, входящих в перечень ВАК РФ и получено свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав,

общих выводов, списка использованных источников в количестве 154 трудов и

6

шести приложений. Основная часть работы изложена на 206 страницах, содержит 122 рисунка и 47 таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность работы, сформулирована конечная цель исследования, раскрывается научная новизна и практическая ценность работы.

В первой главе производится анализ методов обеспечения точности и качества обрабатываемых поверхностей деталей на станках. Из проведенного анализа следует, что одним из главных факторов, определяющих точность станка, являются статические и динамические показатели качества несущей системы. Из-за недостаточной жесткости элементов несущей системы станка силовые воздействия от перемещающихся подвижных узлов и обрабатываемой заготовки приводят к отклонению взаимного положения режущего инструмента и обрабатываемой заготовки и, как следствие, к снижению технологической надежности станка. Анализ работ показывает, что в общем балансе упругих перемещений деформация базовой несущей системы составляет 15...20%, а в отдельных случаях может достигать 40...50%.

Как показал анализ известных работ в области станкостроения, до настоящего времени не разработаны достаточно точные и, в то же время, надежные методы расчета, учитывающие особенности сварных корпусных деталей станков. На практике они рассчитываются либо слишком приближенно, на основании формул сопротивления материалов, либо проектируются на основе изучения работоспособности аналогичных деталей из чугуна, причем размеры корпусных деталей иногда связываются эмпирическими зависимостями с параметрами, мало влияющими на их выбор. Отсутствие методов расчета вызвано, прежде всего, тем, что сварные корпусные детали представляют собой чрезвычайно сложные пространственные конструкции, расчет которых, на основании теории упругости, встречает большие математические трудности.

В настоящее время, наиболее широкое применение получили модели на основе метода конечных элементов (МКЭ). Применение МКЭ к моделированию сложных сварных конструкций в станках встречает большие трудности, так как получение достаточной точности в этом случае требует представления конструкции в виде большого числа конечных элементов. Это создает предпосылки для перспективного подхода к решению рассматриваемой задачи путем объединения базисных конечных элементов, моделирующих сварной шов в

подструктуры, называемые суперэлементами. Однако, этот подход к моделированию сварных корпусных деталей пока не нашел должного применения в станкостроении и, следовательно, требуются дополнительные исследования.

Программное обеспечение в области машиностроительных систем автоматизированного проектирования, обеспечивающее решение задач моделирования сварных корпусных конструкций методом конечных элементов, представлено программными продуктами: М5С ^гап, СОЗМОБЛУогкз, ЬБ-ОУКА, АВАСШБ, Рго/ЕКС1ЫЕЕ11, РЕМИАТ, А^УБ. и др. Однако, как показали предварительные исследования, вопрос о моделировании сварных соединений остается открытым, так как результаты расчетов сварных конструкций, в выше представленных программах, отличаются от экспериментальных данных.

Следовательно, для реализации метода суперэлементов при формировании математической модели технологических систем со сварными элементами, необходимо разработать программное обеспечение, удовлетворяющее требованиям технологического процессора Данная программа должна позволять пользователю моделировать сварные швы с большей эффективностью и достоверностью. Наиболее эффективной средой для создания данной программы является программный комплекс "Апвуз", т. к. в нем предусмотрена возможность написания пользователем подпрограмм.

Во второй главе рассматривается построение математической модели формирования погрешностей обработки на специальном агрегатном оборудовании со сварными элементами в базовой несущей системе на основе иерархического параллельно-последовательного решения предложенного проф. Михайловым В.А., суть которого сводится к разбиению системной модели технологической системы на несколько уровней, что обеспечивает выполнение анализа не только системной модели станка, но и отдельных узлов и элементов, а также позволяет использовать метод композиции для формирования новых структур.

При структурном синтезе общая модель рассматривается в виде многоуровневой иерархической системы, по аналогии с разработанной в работе Гусева В.А. и адаптированной к агрегатным станкам. Модель имеет пять уровней иерархической системы: уровень систем; уровень подсистем (агрегатов); уровень узлов или механизмов; уровень функциональных составляющих; уровень элементарных составляющих. Такая декомпозиция, например, агрегатной головки, позволяет учесть крутильную податливость валов, изгибную податливость зубьев шестерён и шлицев и т. д.

Для определения характеристик сварных корпусных деталей их целесообразно рассматривать в виде пространственной расчётной схемы. Для упрощения решения задачи конструкция декомпозируется на отдельные модули, называемые подструктурами, каждая из которых, в свою очередь, состоит из базисных конечных элементов. Состояние подструктуры описывается системой уравнений, сформулированной из уравнений равновесия, входящих в подструктуру базисных элементов. Каждая из подструктур рассчитывается отдельно при закрепленных общих границах. Естественно, что система уравнений, выражающая условия равновесия границ, содержит значительно меньшее число неизвестных по сравнению с системой уравнений метода конечных элементов. В этом случае условия равновесия подструктуры выражаются как:

[.К]{д) = {Р}, (1)

где [ЛГ] - общая матрица жесткости подструктуры; '<7 } - вектор узловых перемещений; {Р} - вектор узловых усилий, действующих на подструктуру.

При соответствующем разделении перемещений подструктуры на внутренние / и граничные л матричное уравнение можно представить в блочном виде:

[К*]Ш=(Р*} , (2)

где [К*] = [К55 -К^К^К^]- матрица граничных жесткостей подструктуры; [Я*]= -К^КЦ'Р^} - вектор граничных узловых усилий подструктуры.

Подструктура, для которой определены матрицы [К*] и {/'"} называется суперэлементом. Процесс объединения матрицы жесткости и векторов узловых усилий суперэлементов низшего уровня в матрицу жесткости и вектор узловых усилий суперэлемента высшего уровня может быть произведен несколько раз, до тех пор, пока рассчитываемая конструкция не будет сформирована полностью.

Система уравнений равновесия всей конструкции, в этом случае, будет иметь небольшое число неизвестных, равное числу граничных перемещений суперэлементов предыдущего уровня. Если найдены граничные перемещения для суперэлемента некоторого уровня, его внутренние перемещения определяются из известного уравнения по следующей зависимости:

{?,> = [£■'«] (3)

После отыскания полного вектора перемещений для всех суперэлементов первого уровня с помощью обычной процедуры МКЭ вычисляются компоненты

напряженного состояния базисных элементов. В данной работе суперэлементами моделируются сварные швы в корпусных деталях.

Далее производилось определение эффективных условий эксплуатации специальных агрегатных станков, при работе которых возникают достаточно интенсивные вибрации, природа которых, в ряде случаев, носит автоколебательный характер. Для решения проблемы использован смешанный метод Власова - Канторовича, совместно с методом конечных элементов.

В работе установлено, каким условиям должны удовлетворять режимы резания при возбуждении автоколебаний. Рассматривая схему сил резания, возникающих при сверлении отверстий, имеем, что под действием этих сил агрегатная головка и стойка может получать деформацию изгиба в вертикальной и горизонтальной плоскостях, а также деформацию кручения вокруг горизонтальной оси. При этом формула для силы резания Рх в зависимости от обобщенных перемещений £7/, (Уз и К/будет иметь следующий вид:

Р, =« + /?,(/,+ ргиг + /у/, + ГК, (4)

0,75сЫ,з°'75 0,75ckl,d¡s™

где

c-Q,15kd.s, c-0,75kd,s.

-0,25 1

cks

0,75 cklds^--5 0,75сА/ / d.j^25 ' c-QJ5kd,sT' п = _y 11_ /? ' 11

Pl- „ , _-0.25 ' Pi

с-0,75Ы^Г°'25 ' ''' с-0,75Ы,5Г°-25 '

d¡, S¡ - диаметр сверла и подача; lz - расстояние вдоль соответствующих осей координат от вершины сверла до центра тяжести сечения стойки; с - жесткость сверла в направлении оси X; к - коэффициент учитывающий свойства обрабатываемого материала.

В работе изучено влияние на возникновение автоколебания таких факторов, как режимы резания, положение агрегатной головки на стойке и вылет сверла /, жесткость сверла при изгибе, исходя из следующего условия:

(в.1, mi у . miV „/зул2п2 у 2р,т\ . лп1 •i-i-^-cos—+—sin— -Gl\~—т- + ----—— sin — +

U L F L) \2FL- iy L ) L (5)

| Gi,LÍЗ/З^п1 | fltF | 2ут\^лп1 | G2L: (9л-V | 7F/rV | F .

I, { 2L2 1, L ) L 4 ^ AL" /v£" I; где Iz , ly - моменты инерции стойки относительно осей Z и Y, соответственно; L - длина стойки; F - площадь поперечного сечения стойки; G -модуль упругости второго рода; л - положение агрегатной головки на стойке.

Из уравнения 5 следует, что автоколебания основного тона могут возникнуть только при положении п-2 агрегатной головки 0,55 < I < L, а автоколебания

первого обертона возникают на участках 0,28< I <0,5 L; 0,75 <l<0,78L.

10

2л/, ,

2£ + 4/,тг + Ш 2L + 2Ix) +

= -5,26,

^ = 1,76, Mi = 4_9< i =0,2$L, /,, =OJSL, (6)

L L •<"'''->>

= ^. = 1,5*, /„=0,5i, /„ = 0,75L. £ •' ~

Автоколебания основного тона на участке стойки 0,55 <1 <L возникают при Д =()J5kid^'"'\ y = ks"\ Таким образом, виброустойчивость стойки и агрегатной головки со сверлом не достаточна.

В третьей главе рассматривается разработанная программа, позволяющая управлять технологической надежностью специальных агрегатных станков, путем повышения жесткости их сварной базовой несущей системы. Для моделирования сварных соединений в корпусных деталях использовался метод суперэлеменгов. При создании множества суперэлементов, с использованием стандартных процедур программного комплекса Ansys, задание их свойств, выбор конечных элементов, образующих суперэлемент, приложение нагрузок и закреплений к подструктуре, запуск решателя для генерации суперэлемента, необходимо повторять для каждого создаваемого суперэлемента. Поэтому, при моделировании несущей системы станка, имеющей большое количество сварных швов, а, следовательно, и суперэлементов, пользователю, использующему стандартные функции программного комплекса Ansys, приходиться тратить большое количество времени на создание суперэлементов, что приводит к неэффективности применения метода конечных элементов в форме суперэлементов. Разработанное программное обеспечение, облегчает процесс создания суперэлементов. Программа «Модуль генерации Суперэлементов (MGS 2010)» имеет графический интерфейс обеспечивающий: создание общей модели; генерацию суперэлементов; создание суперэлементной модели на основе исходной; решение модели; получение решений для всех использованных суперэлементов «в одно нажатие»; просмотр любых полученных результатов «в одно нажатие». Общий вид управления программой представлен на рисунке 1.

Для подтверждения адекватности результатов расчетов, выполненных с использованием программы MGS 2010 и необходимости учета сварных швов, было выполнено моделирование образцов со сварными швами, часто применяемыми в базовых корпусных деталях металлорежущих станков, и образцов без учета сварных швов.

И

j® ANSYS Muttlphysics. Utility Menu

File Select list Plot PbtQrls WorkPtene Parameters Macro MenuCMs Help

SSMsJШäilW ~ —

MGS ТосЛаг

Рисунок 1 - Общий вид MGS 2010

Для проверки адекватности полученных результатов были изготовлены натурные образцы. В ходе экспериментов были определены отклонения образцов под действием нагружения, а также формы колебаний, возникающих в образцах на первой частоте собственных колебаний (рисунок 2).

Рисунок 2 - Общий вид экспериментальной установки

Для определения степени влияния искусственного старения на вибрационные характеристики, образцы со сварными швами были подвергнуты нагреву до температуры 150...200 °С в течение 8 часов, с последующим охлаждением вместе с печью. Для сравнения опытных данных с данными моделирования использован критерий Стъюдента. Дисперсионный анализ показал, что результаты моделирования практически не отличаются от экспериментальных данных.

1 1 1 |! II I 1 1, 1| 11 1 1 I ! 1 II И Р е 1 '8 1 1 | и | | | Сз 11 |4 Й

иг: 71 % —

ЕЕ й я 1 ь. ЕЕ 1

1 2 :8Е 1Ё 1 р 1

Образец со стыкобын спорным шбом Образец с гтадробым сборным ибом а Ъраэец с углобым сборным шбоп

Рисунок 3 - Сравнение величин перемещений, возникающих в сварных и цельнометаллических образцах моделирующих различные виды сварных швов с экспериментальными данными

Сравнительный анализ показателей качества сварных и литых образцов-модулей, моделирующих основные виды сварных соединений, применяемых при изготовлении корпусных деталей специальных агрегатных станков, показал необходимость учета сварных швов при моделировании.

Рисунок 4 - Перемещения, возникающие в сварном корпусе от статического

нагружения

Отличие между образцами составляет: для стыкового сварного соединения -! 25%, для таврового сварного соединения - 45%, для углового сварного соединения

13

- 39% (рисунок 3). Для оценки эффективности разработанного процессора, в работе выполнено моделирование сварного корпуса специального агрегатного станка мод. 1590 с учетом сварных швов и без них.

Результаты моделирования представлены на рисунках 4 и 5. Из результатов моделирования следует, что применение, разработанного автором, технологического процессора и методики определения статических и динамических характеристик сварных корпусных деталей специальных агрегатных станков, которые реализованы в виде подпрограммы «Модуль генерации суперэлементов (MGS 2010)», позволяет за счет использования метода конечных элементов в форме суперэлементов, существенно упростить учет в расчетной схеме сварных швов и увеличить скорость расчета в среднем в 2 - 3 раза в зависимости от количества сварных швов.

V ! ]i''->'." . 0Я5261 . . 127ÜV3 . t/'J?2l

.¡mite .)0PS7ß .H3235

Рисунок 5 - Перемещения, возникающие в модели корпуса, без учета сварных

швов, от статического нагружения В четвертой главе производится моделирование точности обработки на

специальном агрегатном станке выпускаемом на ОАО «Станкоагрегат», который предназначен для расснаряжения боеприпасов калибра 85, 120, 122, 130, 140, 152, 220 мм, с использованием для расчета сварной базовой несущей системы метода суперэлементов. Модель агрегатного станка состоит из следующих основных узлов: рамы, корпуса, двух колонн, на которых установлены электромеханические столы, с закрепленными на них силовыми головками, в шпинделе которых установлена оправка со сверлом. В расчетной схеме была рассмотрена только сварная несущая система вместе с узлом сверления, а остальные части станка были заменены распределенной нагрузкой, действующей на платики рамы основания.

Блок-схема рассматриваемой задачи представлена на рисунке 6. Для

14

моделирования агрегатного станка использован метод иерархическои композиции параллельно-последовательного решения, адаптированный к решаемой задаче.

При

Исходные данные

- Г■¡тетрическая ферма сборных корпусных деталей,

- Услзбия зскреплетя,

- УслоВия погружения, •Расположение зоны резания. -Расположение поддихных узлод станка

Построение геометрической модели сборной базобоО несущей системы

Разбиение конструкции на конечные злепенты, с применением для сборных шВаб суперэлеменпюд

Диагностика качества конечно-злементнои септ

Корректировка качестда сетки

Задание начальных и граничных ycnaluu, приложение погружений

Расчет нопряхенно-

1 состояния

Расчет собственных частот колебаний

Вычисление деформаций, приведенных к зоне резания

Вычисление составлявших погрешностей одрадотки

Рисунок 6 - Блок-схема методики расчета погрешностей обработки и отклонений инструмента, обусловленных перемещениями сварной базовой несущей системы специального агрегатного станка

моделировании выполнялось построение

геометрической и конечно-элементной модели

рассчитываемой конструкции, приложение условий

закрепления и сил, расчет напряженно-деформированного состояния сварной несущей системы и частота ее собственных колебаний. Затем определялось пространственное положение подвижных узлов станка и вычислялись смещения инструмента и снаряда в зоне резания. На основе

рассчитанных значений

определялись составляющие погрешностей обработки

размеров для заданного расположения подвижных узлов и зоны резания. Согласно принятой во второй главе структуре декомпозиции

системы станка на модули, проводилось формирование геометрической модели станка.

Построение твердотельной

модели сверлильной головки, электромеханического стола, сварной несущей системы и зажимного приспособления было произведено с использованием программы SolidWorks. Сборка станка осуществлялась с использованием метода иерархической композиции из ранее построенных элементов. Разбиение сварных корпусных деталей на конечные элементы производилось с использованием

призматических элементов второго порядка, типа SOLID 92. Для разбиения

15

сварных швов, как показал опыт моделирования, целесообразно использовать призматические элементы второго порядка, типа SOLID 95, с последующим их объединением в суперэлементы, которое осуществляется с использованием разработанной автором программы «Модуль Генерации Суперэлементов».

Анализ конструкций и условий работы агрегатных станков, выпускаемых ОАО «Станкоагрегат» показал, что для них наибольшее значение имеют силы тяжести подвижных узлов, которые представлялись в виде распределенных нагрузок, приведенных к сварным корпусным деталям.

Рисунок 7 - Результаты моделирования перемещений, возникающих в сварной базовой несущей системе агрегатного станка и инструменте.

Для моделирования условий закрепления несущей системы к фундаменту, применялась упрощенная схема. В данной схеме закрепления, все точки, находящиеся на нижней поверхности фундамента, закреплены от смещений, направленных по нормали к данной поверхности.

Податливость затянутых стыков, предназначенных для неподвижного соединения сварных корпусных деталей, при расчетах перемещений несущей системы агрегатного станка не учитывалась. Соответственно, смещения совпадающих точек контактирующих поверхностей приравниваются друг к другу. Результаты моделирования перемещений, возникающих в сварной базовой несущей системе агрегатного станка и инструменте, представлены на рисунке 7.

Во время расчета базового варианта было выяснено, что отклонение сверла составляют 0,012мм, что больше допустимого и, следовательно, приводит к быстрому изнашиванию инструмента и выходу его из строя, а при использовании кондукторов к заклиниванию. Выход инструмента из строя контролируется

электроникой, которая останавливает на время замены инструмента все оборудование, находящееся на участке утилизации. Поэтому, в ходе дальнейшего исследования была повышена точность траектории движения инструмента, а, следовательно, уменьшены его уводы и увеличена стойкость посредством выбора рациональной конструкции сварной несущей системы станка, с использованием метода суперэлементов для моделирования сварных швов.

Рисунок 8 - Результаты моделирования перемещений, возникающих в сварной базовой несущей системе агрегатного станка и инструменте после

модернизации.

При этом, в качестве основного требования к сварной несущей системе, являлось обеспечение минимизации влияния ее перемещений на точность положения инструмента. Модернизация сварной несущей системы станка заключалась в подборе рациональных параметров корпуса и рамы. В качестве независимых переменных использовались размеры отдельных конструктивных элементов корпусных деталей (толщины отдельных стенок, ребер жесткости, расстояния между ними, размеры окон и т. п.). Для подтверждения результатов модернизации произведен расчет. Результаты моделирования агрегатного станка с модернизированной сварной базовой несущей системой показаны на рисунке 8.

В пятой главе, для проверки результатов моделирования и оценки адекватности разработанной методики обеспечения технологической надежности сварных базовых корпусных деталей металлорежущих станков, были выполнены исследования несущей системы агрегатного станка модели 1590. На первом этапе выполнено определение перемещений сварной корпусной детали агрегата расснаряжения под действием нагружения. Схема экспериментальной установки изображена на рисунке 9.

Илич

Рисунок 9 - Схема экспериментальной установки

Замеры перемещения производились в сорока точках, расположенных на четырех боковых сторонах и верхнем основании, в каждой не менее трех раз. На втором этапе выполнено определение собственных частот сварной корпусной детали агрегатного станка. Для данного эксперимента применялось следующее оборудование: виброметр модели «Аи-014» фирмы «Диамех» с вибропреобразователем модели АР97 фирмы ГлобалТест, ударный молоток модели А1Ю1 с датчиком силы АС-21 фирмы ГлобалТест и специальная технологическая оснастка. Замеры перемещений производились в пятидесяти шести точках, расположенных на четырех боковых сторонах корпуса, в каждой не менее трех раз.

Возбуждающий импульс сообщался корпусу с помощью ударного молотка мод. А1)01. Вибрационные характеристики корпуса измерялись с помощью вибропреобразователя модели АР97, соединенного с виброметром модели «Аи-014», данные с которого передавались на ЭВМ и обрабатывались с помощью программы «Атлант». На третьем этапе производилось определение вибрационных характеристик корпусной детали во время холостого режима работы станка. Для данного эксперимента использовался виброметр модели «Корсар» с вибропреобразователем модели ВК-310А. Измерения перемещений производились в пятидесяти шести точках, расположенных на боковых сторонах корпуса, в каждой не менее трех раз в трех плоскостях.

На четвертом этапе выполнялась оценка точности траектории движения шпиндельного узла агрегата расснаряжения и инструмента. Измерения параллельности оси вращения шпинделя к рабочей поверхности стола станка производились в пяти точках, равномерно расположенных по длине оправки, а

18

соосности осей вращения шпинделя и направляющих элементов - в четырех, равнорасположенных по диаметру оправки точках, в пяти сечениях.

В шестой главе выполнено сравнение экспериментальных данных по перемещению сварной корпусной детали агрегатного станка, под действием нагружения, с результатами моделирования. Для проверки адекватности был использован дисперсионный анализ, из результатов которого следует, что Аср= 0,001208; Э2 = 0,000012. Предельное значение критерия Стьюдента для критической области 2.0687 (для V = 23, уровень значимости 0,95). Расчётное значение критерия Стьюдента I = 1,69. Так как ^ > I, то нулевая гипотеза принимается, т.е. средние значения генеральной совокупности попарно совпадают и, следовательно, результаты теоретических и экспериментальных исследований по перемещению сварной корпусной детали практически не отличаются друг от друга

Кроме этого, выполнено сравнение перемещений, возникающих под действием нагрузки в корпусной детали специального агрегатного станка при моделировании без учета сварных швов, с экспериментальными данными. В ходе расчетов было получено, что Аср= 0,003625; Б = 0,0000061, а расчетное значение критерия Стьюдента I =4,183. Предельное значение критерия Стьюдента для критической области 1кр= 2,0687 (для V = 23, уровень значимости 0,95). Так как ^ < I, то нулевая гипотеза не принимается, т.е. средние значения генеральной совокупности попарно не совпадают и, следовательно, результаты моделирования корпусной детали без учета сварных швов и экспериментальные данные отличаются друг от друга.

На втором этапе производилось сравнение экспериментальных данных по перемещению сварной корпусной детали агрегатного станка на первой частоте собственных колебаний с результатами моделирования, с использованием дисперсионного анализа. По результатам расчета получено Аср= 0,119354; Б2 = 0,175. Предельное значение критерия Стьюдента для критической области 1кр= 2.0180 (для V = 41, уровень значимости 0,95). Расчётное значение критерия Стьюдента I = 1,6798. Так как > ¡, то нулевая гипотеза принимается, т.е. средние значения генеральной совокупности попарно совпадают и, следовательно, результаты теоретических и экспериментальных исследований перемещений сварной корпусной детали агрегата расснаряжения на первой частоте собственных колебаний практически не отличаются друг от друга. Кроме этого, на основании экспериментальных данных была построена ЗЭ модель формы собственных колебаний корпуса

На третьем этапе, на основании экспериментальных данных, были построены ЗЭ модели форм колебаний модернизированной сварной базовой несущей системы специального агрегатного станка во время рабочего и холостого режимов работы.

IV

Произведенный анализ позволил установить, что в разработанных конструкциях, явления автоколебаний и резонанса во время холостого и рабочего режимов работы агрегатного станка не наблюдаются.

На четвертом этапе выполнено сравнение экспериментальных данных отклонений инструмента специального агрегатного станка с результатами моделирования, с использованием дисперсионного анализа. В ходе расчетов было получено, что Аср= 0,033619; S = 0,01521, а расчётное значение критерия Стьюдента t =1,158. Предельное значение критерия Стьюдента для критической области t^ 2,093 (для v = 19, уровень значимости 0,95). Так как tKp > t, то нулевая гипотеза принимается, т.е. средние значения генеральной совокупности попарно совпадают и, следовательно, результаты моделирования отклонений инструмента и экспериментальные данные практически не отличаются.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

1. Разработаны методы обеспечения эффективности технологического процесса обработки деталей типа толстостенных цилиндров на специальном агрегатном оборудовании со сварными корпусными деталями.

2. Разработаны теоретические основы обеспечения технологической параметрической надежности агрегатных станков со сварной базовой несущей системой при обработке деталей типа толстостенных цилиндров.

3. Разработана методика моделирования составляющих отклонений инструмента, обусловленных деформациями сварной базовой несущей системы станка, с учетом местных деформаций входящих в нее корпусных деталей.

4. Обеспечена технологическая надежность обработки деталей типа толстостенных цилиндров на специальных агрегатных станках, за счет улучшения конструкции сварной базовой несущей системы и оценки виброустойчивости. В результате этого, средняя стойкость инструмента увеличилась со 180 до 260 минут, что позволило совместить время смены инструмента со временем технического обслуживания и исключить ненужные простои оборудования на дегазацию.

5. Выполнен сравнительный анализ показателей качества сварных и литых образцов-модулей, моделирующих основные виды сварных соединений, применяемых при изготовлении корпусных деталей в станкостроении, который показал необходимость учета сварных швов при моделировании. Сопоставление выполнено с использованием статистического критерия Стьюдента. Для образцов

отличие составляет: стыковое сварное соединение - 25%, тавровое сварное соединение - 45%, угловое сварное соединение - 39%.

6. Разработан технологический процессор и методика определения статических и динамических характеристик сварных корпусных деталей специальных агрегатных станков, реализованные в виде программы «Модуль генерации суперэлементов (MGS 2010)» для системы конечно-элементного анализа ANSYS, которая за счет использования метода суперэлементов, позволяет существенно упростить учет в расчетной схеме сварных швов и увеличить скорость расчета в среднем в 2н-3 раза, в зависимости от количества сварных швов.

7. Результаты моделирования статических и динамических характеристик сварных корпусных деталей адекватны смещениям в реальных конструкциях, расхождение составляет около 13%. Сопоставление выполнено с использованием статистического критерия Стьюдента.

8. Применение разработанной методики определения статических и динамических характеристик сварных корпусных деталей для выбора рациональной формы базовой несущей системы агрегатного станка модели 1590, выпускаемого на ОАО «Станкоагрегат», позволило уменьшить ее максимальную деформацию с 1,13 мм до 0,82 мм

9. На основании выполненных исследований, изменены конструктивные параметры сварной базовой несущей системы агрегатного станка, заключающиеся в разработке новой рамы и корпуса, что привело к уменьшению значений допуска параллельности оси вращения шпинделя к рабочей поверхности стола станка с 118 мкм до 82 мкм и соосности осей вращения шпинделя и направляющих элементов с 82 мкм до 66 мкм.

10. Разработанная методика моделирования отклонений инструмента внедрена на ОАО «Станкоагрегат».

Основные положения диссертации рассмотрены в следующих печатных работах:

1. Михайлов В.А., Порхунов С.Г. Особенности определения статических и динамических показателей качества корпусных деталей станков. // Известия МГТУ «МАМИ». - М., МГТУ «МАМИ», №1 (7) , 2009, - С. 127-134 (журнал из рекомендованного списка ВАК РФ).

2. Михайлов В.А., Порхунов С.Г. Расчет напряженно-деформированного состояния сварных базовых конструкций металлорежущих станков методом конечных суперэлементов. // Известия Самарского научного центра РАН. -

Самара, Самарский научный центр, специальный выпуск «Актуальные проблемы машиностроения», 2009,. - С. 203-206 (журнал из рекомендованного списка ВАК РФ).

3. Михайлов В.А., Порхунов С.Г. К вопросу об особенностях проектирования и моделирования сварных конструкций корпусных деталей станков. // Известия МГТУ «МАМИ». -М., МГТУ «МАМИ», №1 (9) , 2010, - С. 126-132 (журнал из рекомендованного списка ВАК РФ).

4. Порхунов С.Г. Проблемы использования базовых сварных конструкций в станкостроении.// Сборник статей IV Международной научно-технической конференции «Прогрессивные технологии в современном машиностроении». -Пенза: Приволжский Дом знаний, 2008. - С. 149 -151.

5. Михайлов В.А., Порхунов С.Г. Определение статических характеристик корпусных деталей металлорежущих станков.// Материалы 65-ой Международной научно-технической конференции «Приоритеты развития отечественного автотракторостроения и подготовки инженерных и научных кадров» Международного научного симпозиума «Автотракторостроение - 2009». Книга 7, Москва, МГТУ «МАМИ», 2009 г., - С. 159 - 161.

6. Порхунов С.Г. Определение динамических показателей качества сварных базовых конструкций металлорежущих станков.//: Труды Международного симпозиума НАДЕЖНОСТЬ И КАЧЕСТВО // Под ред. Н. К. Юркова. — Пенза: Инф.-изд.ц. Пенз. ГУ, 2009. Том 2. - С. 16 - 18.

7. Порхунов С.Г. Особенности расчета сварных корпусных деталей металлорежущих станков методом конечных элементов.// Сборник статей X Международной научно-технической конференции «Информационно-вычислительные технологии и их приложения», «МНИЦ ПГСХА». - Пенза: РИО ПГСХА, 2009. - С. 220 - 222.

8. Михайлов В.А., Порхунов С.Г. Применение программы «Модуль генерации суперэлементов (MGS 2010)» для моделирования сварных корпусных деталей в программном комплексе ANSYS. // Научная перспектива. - 2010. - №11. -С. 150- 153.

9. Порхунов С.Г. Особенности моделирования сварных корпусных деталей с учетом механических характеристик швов. // Научная перспектива. - 2010. - №11. -С. 154- 156.

10. Порхунов С.Г., Михайлов В.А. Модуль Генерации Суперэлементов (MGS 2010) Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2010617856, от 30.11.2010г.

Подписано в печать: 10.02.2011 Тираж: 100 экз. Заказ №72856 Отпечатано в типографии «Реглет» 119526,г. Москва, пр-т Вернадского,39 (495)363-78-90;\/т\м.^1еии

ВВЕДЕНИЕ.

1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ОБЕСПЕЧЕНИЯ ТОЧНОСТИ И КАЧЕСТВА ОБРАБАТЫВАЕМЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДЕТАЛЕЙ НА СТАНКАХ СО СВАРНОЙ БАЗОВОЙ НЕСУЩЕЙ СИСТЕМОЙ.

1.1 Общие положения.

1.2 Анализ факторов, влияющих на точность обработки на станках со сварной базовой несущей системой.

1.3 Обзор и анализ особенностей формирования погрешностей обработки.

1.4 Обзор и анализ методов расчета корпусных деталей станков.

1.5 Обзор моделирующих подсистем.

1.6 Выводы.

1.7 Цели и задачи исследования.

2. РАЗРАБОТКА ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ ФОРМИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССОРА ДЛЯ СПЕЦИАЛЬНОГО АГРЕГАТНОГО СТАНКА.,.

2.1 Оценка погрешности обработки на агрегатных станках.

2.1.1 Математическая модель формирования погрешностей обработки на агрегатных станках.

2.1.2 Системный подход к моделированию.

2.2 Разработка принципов моделирования сварных корпусных деталей станков.

2.2.1 Обоснование выбора метода решения задачи.

2.3 Определение эффективных условий эксплуатации агрегатных станков.

2.3.1. Основные дифференциальные уравнения колебаний.

2.3.2. Анализ и исследование изгибных колебаний в вертикальной плоскости специального агрегатного оборудования.

2.4 Выводы.

3. РАЗРАБОТКА МОДУЛЯ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА СВАРНЫХ КОНСТРУКУЦИЙ МЕТОДОМ КОНЕЧНЫХ СУПЕРЭЛЕМЕНТОВ.

3.1. Методика расчета сварных конструкций.

3.2. Принцип работы системы.

3.3. Работа с суперэлементами в АпБуя при использовании подпрограммы «Модуль Генерации Суперэлементов (МС8 2010)».

3.3.1. Построение конечноэлементной модели нахлестового сварного швабЗ

3.3.2. Создание суперэлементов.

3.3.3. Использование суперэлементов.

3.3.4 Получение решения внутри суперэлемента.

3.4 Экспериментальные исследования деформации сварных и цельнометаллических образцов.

3.5 Сравнение экспериментальных данных величин деформации с расчетными для сварных и литых образцов.

3.6. Экспериментальные исследования собственных частот сварных и цельнометаллических образцов.

3.7 Сравнение экспериментальных и расчетных данных по перемещению точек для сварных и литых образцов на первой частоте собственных колебаний.

3.7.1. Сравнение экспериментальных и расчетных данных по перемещению точек литого образца, подобного стыковому сварному шву, на первой частоте собственных колебаний.

3.7.2. Сравнение экспериментальных и расчетных данных по перемещению точек образца со стыковым сварным швом на первой частоте собственных колебаний.

3.8. Экспериментальные исследования собственных частот колебаний сварных отожженных образцов.

3.9 Сравнение экспериментальных и расчетных данных по перемещению точек для сварных отожженных образцов на первой частоте собственных колебаний.

ЗЛО. Расчет сварного корпуса с использованием метода конечных элементов в форме метода суперэлементов.

3.11. Расчет корпуса без учета сварных швов.

3.12 Выводы.

4. РАЗРАБОТКА МОДЕЛЕЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ СИСТЕМ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ПОГРЕШНОСТЕЙ ОБРАБОТКИ НА СТАНКЕ СО СВАРНОЙ БАЗОВОЙ НЕСУЩЕЙ СИСТЕМОЙ.

4.1. Описание исследуемого специального агрегатного станка.

4.2. Методика составления моделей.

4.3. Исходные данные для формирования модели.

4.4. Создание геометрической модели.

4.4.1. Создание геометрической модели привода главного движения (силовой головки).

4.4.1. Создание геометрической модели привода главного движения (силовой головки).

4.4.2. Создание геометрической модели привода подач.

4.4.3. Создание геометрической модели сварной базовой несущей системы станка.

4.4.4. Создание геометрической модели зажимного приспособления.

4.4.5. Композиция геометрической модели станка.

4.5. Создание конечно-элементной модели.

4.6. Расчет отклонений инструмента, вызванных деформацией сварной несущей системы агрегатного станка.

4.6.1. Учет в расчетной схеме сил, действующих на корпусные детали.

4.6.2. Учет в расчетной схеме условий закрепления корпусных деталей

4.7. Параметрическая оптимизация формы сварной несущей системы агрегатного станка.

4.7.1. Постановка задачи оптимального проектирования, применительно к сварным корпусным деталям металлорежущих станков.

4.8 Выводы.

5. МЕТОДИКА ПРОВЕДЕНИЯ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

НЕСУЩЕЙ СИСТЕМЫ АГРЕГАТНОГО СТАНКА МОДЕЛИ 1590.

5.1. Методика экспериментального определения перемещений сварной корпусной детали агрегата расснаряжения, под действием нагружения.

5.1.1. Условия проведения эксперимента.

5.1.2. Последовательность проведения эксперимента.

5.2.1 Условия проведения эксперимента.

5.2.2. Описание виброметра мод «AU-014».

5.2.3. Последовательность проведения эксперимента.

5.3. Методика экспериментального определения вибрационных характеристик корпусной детали агрегата расснаряжения во время холостого режима работы.

5.3.1. Условия проведения эксперимента.

5.3.2. Описание виброметра «КОРСАР».

5.3.3. Описание вибропреобразователя мод. ВК-310А.

5.3.4. Последовательность проведения эксперимента.

5.4. Методика экспериментального определения точности траектории движения.

5.5 Выводы.

6 АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

6.1 Сравнение экспериментальных данных по перемещению сварной корпусной детали агрегата расснаряжения, под действием нагружения, с результатами моделирования.

6.2 Сравнение экспериментальных данных по перемещению сварной корпусной детали агрегата расснаряжения на первой частоте собственных колебаний с результатами моделирования.

6.3 Построение формы колебаний сварной корпусной детали агрегата во время холостого режима работы станка.

6.4 Определение смещений инструмента агрегатного станка.

6.4. Рекомендации по применению полученных результатов.

6.5 Выводы.

Диссертационная работа направлена на обеспечение технологической надежности при обработке на специальных агрегатных станках со сварной базовой несущей системой. Исследуемый станок предназначен для расснаряжения боеприпасов калибра 85, 120, 122, 130, 140, 152, 220 мм. Линия расснаряжения, в которую входят четыре агрегатных станка, работает автономно и круглосуточно, с перерывами на технологическое обслуживание: Поскольку процедура смены инструмента занимает около 60 минут, то она должна быть привязана ко времени технологического обслуживания автоматической линии расснаряжения. Однако, из-за недостаточно жесткой сварной несущей системы станка происходят уводы инструмента, которые приводят к быстрому изнашиванию инструмента и выходу его из строя. Для смены инструмента рабочий должен переодеться в защитный костюм, а. в корпусе должна быть произведена дегазация. Проблему обеспечения? технологической, надежности специальных агрегатных станков, а следовательно, и повышения стойкости инструмента можно достичь, посредством увеличения жесткости сварной базовой несущей системы станка.

Проблемами обеспечения технологической надежности специальных агрегатных станков, посредством^ увеличения жесткости сварной базовой несущей системы, занималось и продолжает заниматься большое число ученых. Однако, в большинстве работ, при проектировании сварных корпусных деталей металлорежущих станков, преимущественно, используются расчетные схемы, в которых не производится учет сварных швов, или делаются некоторые допущения: свариваемые детали и швы являются деформируемыми; не учитываются концентрации напряжений, наличие которых характерно для мест резкого- изменения формы, а расчет выполняется- только- по номинальным напряжениям; материал шва считается однородным и изотропным; деформации считаются малыми и пропорциональными напряжениям.

Диссертация* посвящена комплексному исследованию проблемы обеспечения технологической надежности замкнутой технологической системы, включающей в себя сварную базовую несущую систему, шпиндельные бабки, механизм подачи и закрепления обрабатываемых изделий и узлы подачи, обусловленной деформациями сварной базовой несущей системы станка, с учетом местных деформаций отдельных элементов корпусных деталей. Комплексный подход дает возможность разработки и внедрения новых, более точных и эффективных методик обеспечения технологической надежности оборудования. Таким образом, исследования, направленные на разработку научно обоснованных методик обеспечения технологической надежности и повышения стойкости инструмента при обработке на специальных агрегатных станках, посредством увеличения жесткости сварной базовой несущей системы, являются актуальной научной задачей.

Данная работа базируется на положениях теории динамики станков, разработанной Кудиновым В. А. [59], теории надежности технологических систем, разработанной Прониковым A.C. [134], иерархическом параллельно-последовательном методе решения задач, предложенным Михайловым В. А. [82], работах: Базрова Б.М. [6], Бушуева В.В. [14], Дащенко А.И. [36], Кузнецова П.М. [62], Таратынова О.В. [130], Тимирязева В.А. [133], Чернянского П.М. [137] и других ученых.

Работа выполнена на кафедре «Автоматизированные станочные системы и инструменты» МГТУ «МАМИ», при сотрудничестве с ОАО «Станкоагрегат», в рамках проведения НИР, при реализации ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009 — 2013 по теме «Разработка средств обеспечения жизненного цикла, технологических систем и инструмента для процессов энергосберегающей комбинированной обработки в автомобилестроении и машиностроении».

Целью данной работы является: обеспечение технологической надежности специальных агрегатных станков со сварной базовой несущей системой, путем разработки конструкторско-технологического процессора, решающего задачи определения их рациональных параметров и выбора условий обработки.

Научная новизна работы

- по специальности 05.02.08 - Технология машиностроения:

1. Разработана методика определения отклонений траектории движения вершины инструмента, обусловленных деформациями отдельных элементов агрегатного станка.

2. Обоснована концепция обеспечения технологической надежности на специальных агрегатных станках со сварными корпусными деталями, за счет повышения жесткости их сварной базовой несущей системы.

3. Разработан конструкторско-технологический процессор для обеспечения технологической надежности специального агрегатного оборудовании со сварными соединениями в его несущей системе, путем рационального проектирования корпусных деталей и установления наилучших условий его эксплуатации. по специальности 05.02.07 - Технология и оборудование механической и физико-технической обработки:

1. Разработана и апробирована методика моделирования сварных корпусных деталей специальных агрегатных станков, основанная на применении метода конечных элементов в форме суперэлементов.

2. Разработана и исследована трехмерная модель специального агрегатного станка модели 1590, выпускаемого на ОАО «Станкоагрегат», с использованием метода конечных элементов в форме суперэлементов для моделирования сварных соединений в его несущей системе.

Практическая ценность заключается: в разработке рекомендации по обеспечению технологической надежности специального агрегатного оборудования, со сварными элементами в базовой несущей системе, выпускаемого на ОАО «Станкоагрегат»;

- в разработке методики расчета составляющих отклонений инструмента, обусловленных деформациями замкнутой технологической системы, включающей в себя сварную базовую несущую систему, шпиндельные бабки, механизм подачи и закрепления обрабатываемых изделий и узлы подачи;

- в разработке рекомендаций по рациональному проектированию сварных корпусных деталей, используемых в агрегатных станках, выпускаемых на ОАО «Станкоагрегат», которые реализованы в новой конструкции сварной базовой несущей системы специального агрегатного станка мод. 1590, что позволило повысить точность позиционирования инструмента на 36%, а его стойкость на 28%;

- в создании библиотеки моделей-модулей типовых сварных швов, применяемых в корпусных деталях агрегатных станков, выпускаемых на ОАО «Станкоагрегат» и методики моделирования их статических и динамических характеристик, основанной на методе суперэлементов.

Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы и восьми приложений.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Разработаны методы обеспечения эффективности технологического процесса обработки деталей типа толстостенных цилиндров на специальном агрегатном оборудовании со сварными корпусными деталями.

2. Разработаны теоретические основы обеспечения технологической параметрической надежности агрегатных станков со сварной базовой несущей системой при обработке деталей типа толстостенных цилиндров.

3. Разработана методика моделирования составляющих отклонений инструмента, обусловленных деформациями сварной базовой несущей системы станка, с учетом местных деформаций входящих в нее корпусных деталей.

4. Обеспечена технологическая надежность обработки деталей типа толстостенных цилиндров на специальных агрегатных станках, за счет улучшения конструкции сварной базовой несущей системы и оценки виброустойчивости. В результате этого, средняя стойкость инструмента увеличилась со 180 до 260 минут, что позволило совместить время смены инструмента со временем технического обслуживания и исключить ненужные простои оборудования на дегазацию.

5. Выполнен сравнительный анализ показателей качества сварных и литых образцов-модулей, моделирующих основные виды сварных соединений, применяемых при изготовлении корпусных деталей в станкостроении, который показал необходимость учета сварных швов при моделировании. Сопоставление выполнено с использованием статистического критерия Стьюдента. Для образцов отличие составляет: стыковое сварное соединение - 25%, тавровое сварное соединение - 45%, угловое сварное соединение - 39%.

6. Разработан технологический процессор и методика определения статических и динамических характеристик сварных корпусных деталей специальных агрегатных станков, реализованные в виде программы

Модуль генерации суперэлементов (MGS 2010)» для системы конечно-элементного анализа ANSYS, которая за счет использования метода суперэлементов, позволяет существенно упростить учет в расчетной схеме сварных швов и увеличить скорость расчета в среднем в 2-ьЗ раза, в зависимости от количества сварных швов.

7. Результаты моделирования статических и динамических характеристик сварных корпусных деталей адекватны смещениям в реальных конструкциях, расхождение составляет около 13%. Сопоставление выполнено с использованием статистического критерия Стьюдента.

8. Применение разработанной методики определения статических и динамических характеристик сварных корпусных деталей для выбора рациональной формы базовой несущей системы агрегатного станка модели 1590, выпускаемого на ОАО «Станкоагрегат», позволило уменьшить ее максимальную деформацию с 1,13 мм до 0,82 мм

9. На основании выполненных исследований, изменены конструктивные параметры сварной базовой несущей системы агрегатного станка, заключающиеся в разработке новой рамы и корпуса, что привело к уменьшению значений допуска параллельности оси вращения шпинделя к рабочей поверхности стола станка с 118 мкм до 82 мкм и соосности осей вращения шпинделя и направляющих элементов с 82 мкм до 66 мкм.

10. Разработанная методика моделирования отклонений инструмента внедрена на ОАО «Станкоагрегат».

1. Алямовский А. А. Инженерные расчеты в SolidWorks Simulation. М.: ДМК Пресс, 2010. - 464 с.

2. Аршанский М.М., Лизогуб В.А., Козлов В.И. Автоматизированное проектирование узлов металлорежущих станков. — М.: Машиностроение, 1984.-360 с.

3. Атапин В.Г. Многоуровневое проектирование корпусных конструкций многоцелевых станков/УВестник машиностроения. 1999. - JSfol. -С. 9 -12 .

4. Атапин В.Г. Оптимальное проектирование корпусных деталей тяжелых поворотно-подвижных столов//СТИН. 1995. - №11. - С. 16-19.

5. Атопов В.И., Бурлаченко О.В. Расчеты деталей и узлов машин на ЭВМ: Учебное пособие. — Волгоград: ВолгИСИ, 1993. 119 с.

6. Базров Б.М. Технологические основы проектирования самоподнастраивающихся станков. — М.: Машиностроение, 1978. — 216 с.

7. Базров Б.М. Расчет точности машин на ЭВМ. М.: Машиностроение, 1984. -256 с.

8. Баничук Н.В. Введение в оптимизацию конструкций. М.: Наука, 1986. -302 с.

9. Баничук Н.В., Иванова С.Ю., Шаранюк A.B. Динамика конструкций. Анализ и оптимизация. М.: Наука, 1989. - 260 с.

10. Басов К. А. ANS YS справочник пользователя. М.: ДМК пресс, 2005 .-640с.

11. Бате К., Вилсон Е. Численные методы анализа и метод конечных элементов/Пер. с англ. А.С.Алексеева. М.: Стройиздат, 1982. - 447 с.

12. Бельзецкий А.И. Разработка методики оценки теплового режима и повышения точности металлорежущих станков на стадии проектирования: Автореферат дисс. канд. техн. наук. М., 1987. — 16 с.

13. Браиловский М.И. Рекомендации по проектированию базовых деталей станочного оборудования и опорных конструкций под блоки агрегатированного оборудования из железобетона и специальных бетонов. М.: АООТ РОСЭП, 2000. - 150 с.

14. Бушуев B.B. Жесткость станков//СТИН. 1996. - №8. - С.26-32, №9 -С. 17-22.

15. Бушуев В.В. Сверхточные станки//СТИН. 2000. - №6 - С.27-32, №7 -С.20-23.

16. Варданян Г.М. Исследование тепловых процессов и разработка метода рационального расположения источников тепла для повышения точности станка: Автореферат дисс. . канд. техн. наук. — М., 1989. — 16 с.

17. Васильев A.C. Суммарная погрешность обработки и взаимное влияние ее составляющих//Известия вузов. Машиностроение. — 1999. — №2—3. — С.89-96.

18. Васильев Г.Н. Автоматизация проектирования металлорежущих станков. — М.: Машиностроение, 1987. 280 с.

19. Вейц B.JL, Дондошанский В.К., Чиряев В.И. Вынужденные колебания в металлорежущих станках. М.: Машгиз, 1959. -420 с.

20. Вибрации в технике. Справочник в 6-ти т. Т. 3. Колебания машин, конструкций и их элементов. Айрапетов Э. JL, Биргер И А. М.Машиностроение, 1999 г. 504 с.

21. Витес Б.И., Гроссман В.М., Кравцов O.A. Проектирование корпусных деталей станков с использованием метода конечных элементов//Станки и инструмент. -1991.- №5. С. 13-14.

22. Врагов Ю.Д. Анализ компоновок металлорежущих станков. — М.: Машиностроение, 1978. — 208 с.

23. Гаврюшин С.С., Коровайцев A.B. Методы расчета элементов конструкций на ЭВМ. — М.: ВЗПИ, 1991.- 160 с.

24. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы/Пер. с англ. В.М.Картешвили. М.: Мир, 1984 - 428 с.

25. Глотова В.И., Ким Е.М., Панфучева JI.H и др. Интерактивная графическая подсистема расчета и проектирования корпусных деталей станков методом конечных элементов//Станки и инструмент. — 1992. — №2. С. 13—15.26,27,28,2930,3132,33