Глобусный стол для фрезерного станка – это элементы дополнительной оснастки, служащие для размещения и закрепления деталей при обработке. Они монтируются на оборудование фрезерного типа (горизонтальные, вертикальные, универсальные, с ЧПУ) и значительно расширяют их функционал. Поворотный стол позволяет позиционировать заготовки с высокой точностью и обрабатывать их под различными углами, выполнять круговое фрезерование, производить делительные операции и т. д.
В настоящее время глобусный стол для фрезерного станка с ЧПУ играет особую роль в машиностроительной отрасли. Проведение последовательных натурных испытаний глобусного стола для оптимизации рациональной конструкции представляет длительную и дорогостоящую задачу. В связи с этим решение данной задачи решается путем виртуальных испытаний с использованием компьютерных программ, позволяя ускорить процесс оптимизации конструкций глобусного стола. Наиболее приемлемым аналитическим методом оценки жесткости и анализа прочностных характеристик машиностроительных конструкций является метод конечных элементов.
Программный комплекс ANSYS позволил и позволил осуществить:
- статический и динамический анализ конструкций;
- определить собственные моды и резонансные спектры вынужденных колебаний, а также смещений и напряжений по известным вибрационным спектрам;
- провести динамический анализ переходных процессов и точный динамический анализ.
Целью настоящих исследований является оптимизация конструкции типового глобусного стола и выявление конструктивных факторов, влияющих на его статическую и динамическую жесткость.
Рис. 1.Общий вид модели глобусного стола фрезерного станка
Глобусный стол предназначен для поворота закрепленной заготовки вокруг двух осей: вертикальной и продольной горизонтальной. Он содержит поворотную опору, вращающуюся вокруг вертикальной оси и корпус, поворачивающуюся вокруг продольной оси. Он представляет собой полую конструкцию, жестко сочлененную из центрольной круглой части и боковых кронштейнов, имеющих угловую прямоугольную форму. Механизм поворотного стола фрезерного станка с чпу образует сборный узел, состоящий также из шагового двигателя и опоры качения. В результате конечно-элементного моделирования и экспериментальных исследований частот и форм собственных колебаний несущей системы 5-координатного стола станка с ЧПУ, выявлены 10 резонансных мод в диапазоне частот до 1635 Гц. Установлено, что наибольшее снижение виброустойчивости стола возникает при действии вынужденных колебаний частотой 25-350 Гц. При этом во всем диапазоне стол динамически наиболее податлив при колебаниях в продольном направлении.
Статический анализ конструкции показал, что глобусный стол фрезерного станка с чпу обладает необходимой жесткостью и прочностью при действии внешних сил в исследуемой области в пределах до 1000Н, так как величина перемещений от действия этих сил незначительна. Было установлено, что наиболее податливыми деталями конструкции являются кронштейны, центральная часть корпуса и поворотный стол. Установлено также, что податливость конструкции стола при его повороте на 90° зависит величины приложенной внешней нагрузки: с увеличением массы заготовки податливость смещается от планшайбы к подшипниковому узлу поворотного механизма.
Модальный анализ позволил установить наличие двух диапазонов частот колебаний, вызывающих резонансные явления. Первый диапазон лежит в области колебаний до 500 Гц, второй при повышении частоты колебаний свыше 1000 Гц.
При этом колебания, действующие в первом диапазоне, возбуждают преимущественно изгибные колебания элементов конструкции. Наибольшая податливость возникает в конструкции глобусного стола в области колебаний частотой 320 Гц. В области второго диапазона частот колебаний перемещения становятся локальными, меньшими по величине и потому не представляющими опасений в работе конструкции. Результаты расчетов и анализ АЧХ подтвердил полученные ранее результаты.
Гармонический анализ станка показал, что моды колебаний поворотного стола станка зависят от частот вынужденных колебаний. В результате расчетов и анализа АЧХ стола в пределах частоты колебаний до 1600 Гц установлено наличие трех областей действия колебаний. В первой области в пределах частоты колебаний до 280 Гц наблюдается резкое увеличение амплитуды колебаний при повышении частоты. При дальнейшем увеличении частоты колебаний свыше 350 Гц наблюдается снижение уровня перемещений деталей стола, вызывающих при колебаниях частотой 750 Гц одновременные перемещения во всех координатных плоскостях. Высокочастотные колебания в третьей области диапазона частот вызывают некоторое повышение локальных перемещений, сопровождающиеся некоторым увеличением напряжений в конструкции. При повороте на 90° графики АЧХ имеют идентичный характер.
Рис. 2. Модель резонансной моды колебаний глобусного стола (f=325Гц)
Установлено, что стол динамически наиболее податлив в продольном направлении. Оптимизация геометрии глобусного стола для фрезерного станка за счет введения дополнительных ребер жесткости в корпусе, позволила обеспечить повышение жесткости стоек и зон в местах соединения с корпусом, снизить уровень напряжений в конструкции.
Проведенный анализ глобусного стола 5-ти осевого вертикального обрабатывающего центра BYVER630 ОАО «СтанкоГомель» – холдинг «Белстанкоинструмент» и теоретические исследования позволяют сделать следующие выводы и рекомендации:
- Используемая конструкция глобусного стола полностью соответствует требованиям прочности, жесткости и виброустойчивости для установленных на данном станке предельных режимов резания;
- Модернизация станка, направленная на увеличение скоростей резания и соответственно частоты вращения шпинделя должна быть сопряжена усовершенствованием конструкции глобусного стола, с учетом того, что действие вынужденных колебаний в пределах частоты 250-350 Гц вызывает резонансные явления и снижение его вибрустойчивости в локальных зонах;
- Дальнейшее усовершенствование конструкции глобусного стола для повышения виброустойчивости может быть достигнуто повышением жесткости в полости кронштейнов привода поворота путем введения ребер жесткости в продольном и поперечном направлениях.
Технологические рекомендации для борьбы с автоколебаниями заключаются в подбор режимов резания, которые не должны превышать область частот колебаний 200 Гц.
Глобусный стол обрабатывающего центра
На рис. 3 представлена компоновка глобусного стола. Установленная на столе деталь может в процессе обработки получать, вращение вокруг двух осей (рис. 3). Оба поворотных приспособления 1 и 2 имеют отдельные электродвигатели, работающие в следящем режиме. Зажимное устройство 3 работает от гидроцилиндра.
Рис. 3. Глобусный стол для поворота вокруг двух осей
На сверлильно-расточных обрабатывающих центрах находят применение в качестве смешных инструментов, размещаемых в магазине, план-суппортные головки (рис. 4). В данной конструкции автоматическое радиальное перемещение резца с державкой 1 осуществляется при осевом перемещении стержня 2. Обратное движение стержня обеспечивается пружиной 3. На рис. 5 показаны схемы привода для радиального перемещения резца план-суппортной головки обрабатывающих центров.
Рис. 4. План-суппортная головка
В конструкции, изображенной на рис. 5, а, центральный стержень головки приводится в движение от стержня 2, проходящего, сквозь отверстие в шпинделе и связанного с ШВП. В этом случае для зажима инструмента используется втулка, получающая перемещение от гидроцилиндра 3. В конструкции, приведенной на рис. 5, б зажим инструмента осуществляется от гидроцилиндра, расположенного на заднем конце шпинделя. Для перемещения центрального стержня в этом случае используется втулка 1, получающая движение от шарико-винтовой пары 4 через кронштейн 5 и шарикоподшипник 2.
Рис. 5. Винты устройств подачи резцов план-суппортной головки в шпиндельных узлах обрабатывающих центров
