Испытание Фрезерных Станков С ЧПУ Портального Типа (часть 1)

Испытание фрезерных станков - это ряд тестов для определения соответствия фрезерного оборудования техническим требованиям. Основным видом испытаний серийных и новых станков являются приемочные испытания, которые предполагают: 1) испытание фрезерного станка на холо­стом ходу с проверкой работы узлов и механизмов; испытание станка в работе под нагрузкой; 3) проверку фрезерного оборудования на гео­метрическую точность, точность изготовляемой детали и параметр шероховатости; испытание станка при обработке на жесткость и виброустойчивость.

Настоящая работа посвящена виртуальным динамическим испытаниям методом конечных элементов (МКЭ) портальных продольно фрезерных станков типа, которые выпускает минский станкостроительный завод «МЗОР». МКЭ-моделирование направлено на выявление динамических особенностей станков. В современном производстве динамическое поведение станков признается более существенным, чем статическая жесткость.

Линейку станков «Гентри» от МЗОР в работе представляют две машины:

• классический станок МС620 с «тяжелой», статически довольно жесткой несущей системой, выпускаемый в вариантах на протяжении ряда лет;
• станок МС21Г25 примерно с такими же рабочими габаритами, но с облегченной несущей системой портала.

Испытание фрезерного станка МС620 в виде модального анализа было проведено ранее с помощью МКЭ. Обнаруженные моды (сочетания резонансных частот и форм колебаний), оказались очень стабильными при вариациях параметров станка. Поэтому можно предполагать, что все портальные станки МЗОР имеют общие динамические особенности.

В данной работе на базе модального МКЭ-анализа станков производится их гармонический анализ. К шпинделю прикладываются синусоидальные компоненты силы резания на ряде частот. Отклик станка в виде перемещений шпинделя вычисляется с помощью МКЭ. По результатам строятся и анализируются АЧХ (амплитудно-частотные характеристики).

Геометрическая модель несущей системы фрезерного станка МС620 представлена на рисунке 1, а. На бетонных фундаментных блоках находятся башмаки 1, которые несут станины 10. На станинах вдоль продольной оси X размещены рельсы с опорами качения 2 (опоры X). Эти опоры представлены стилизованно, как податливые объекты, способные без трения скользить по рельсам.

Рис. 1. Геометрические модели фрезерных портальных станков МС620 (а) и МС21Г25 (б): а - часть деталей не показана; б – в станке круговой силой возбуждена резонансная мода М1 «Клевки портала» (f1 = 17,3 Гц)

Зубчато-реечный привод по оси X заменен пружиной 9 для каждой направляющей (далее это пружины X). На направляющих X находятся сани 10 с колоннами 3. На две колонны базируется траверса 4. Вместе сани, колонны и траверса образуют портал. Направляющие 7 установлены вдоль Y (поперечная ось) и несут каретку 6. В данной работе каретка всегда предполагается зажатой посередине направляющих Y. Ползун 5, направленный по вертикальной оси Z, также зажат в каретке. Возле маркера 5 на ползуне исполнен образ конца шпинделя. Однако шпиндельный узел, ползун и каретка, для испытаний фрезерных станков, в данной работе не рассматриваются. Они считаются монолитным жестким телом и подобны эксцентричному грузу на траверсе. Моделирование направлено на выявление динамических деформаций именно портала станка.

Облегченный фрезерный портальный станок МС21Г25 представлен на рисунке 1, б в состоянии возбуждения моды М2. Главным отличием этой модели от МС620 является включение саней в состав колонн 2-3 и 8-7. Портал образует параллелограмм 2-3-7-8. Продольно вдоль оси X его удерживают пружины 1 и 9. Под колоннами находятся опоры X. Нижележащие станины считаются достаточно жесткими и не рассматриваются. Размеры портальных деталей обоих станков приведены ниже.

• Расстояние между колоннами 3200 мм;
• Просвет портала 1900;
• Сечение траверсы 1050 × 1200 мм;
• Сечение колонн 1285 × 840 мм;
• Вылет ползуна при моделировании 200 мм;
• Сечение ползуна 550 × 560 мм.

• Расстояние между колоннами 3520 мм;
• Просвет портала 2280 мм;
• Сечение траверсы 1025 × 960 мм;
• Сечение колонн 1020 × 700 мм;
• Вылет ползуна при моделировании 500 мм;
• Сечение ползуна 500 × 500 мм

Конструкция на рисунке 1, а является тяжеловесной и сравнительно жесткой статически. На рисунке 1, б, наоборот, представлена максимально податливая в статике несущая система. Параллельное рассмотрение обоих станков позволяет оценить динамику всей линейки портальных машин МЗОР.

Применяемые материалы и упруго-массовые характеристики деталей порталов. Основным материалом для корпусных деталей портала является серый чугун СЧ (рис. 2). Для направляющих использована сталь, а для фундаментных блоков – бетон. Присутствуют также два модельных материала Мат 1 и Мат 2 для каретки и ползуна соответственно. У этих материалов, созданных на базе стали, можно виртуально управлять модулем упругости E и плотностью ρ.

Рис. 2. Несущие детали фрезерных портальных станков и их упругие свойства

Таблица на рис. 2 описывает массовые и упругие свойства деталей портала. В каждой ячейке перед чертой «/» стоит число для фрезерного станка МС620, после черты – для МС21Г25. Пары чисел в скобках указывают диапазон варьирования параметра. Например, это может быть модуль упругости, чувствительный к марке чугуна. Каретка и ползун со шпиндельным узлом вместе названы суппортом в сборе. К ним применены модельные материалы так, чтобы обеспечивались:

• нужная масса суппорта (включая массу навесного оборудования);
• высокая жесткость (суппорт должен колебаться почти как жесткое целое).

Обратим внимание, что массы порталов в сборе, фрезерных станков участвующих в испытаниях, почти одинаковы. Портальный фрезерный станок МС21Г25 сконструирован более узким в сечениях, но имеет большую ширину портала и более тяжелый суппорт.

В таблице на рисунке 3 описаны свойства опор качения X, фундаментных башмаков и пружин X. Пружины являются математическими объектами, создаваемыми средствами МКЭ. Один конец пружины был жестко закреплен, второй – связывался с санями или колонной. Пружины действовали строго в направлении X и характеризовались только жесткостью (см. рис. 3). Жесткость пружин соответствовала данным из каталога для беззазорных зубчато-реечных приводов REDEX.

Рис. 3. Соединяющие упругие детали фрезерных порталов и их свойства

Пружины и башмаки являлись монолитными трехмерными телами сравнительно простой геометрии. Считалось, что они сделаны из идеального упругого модельного материала. Модуль упругости материала (см. рис. 3) подбирался в ходе предварительных тестовых расчетов так, чтобы получить желаемую жесткость объектов. Жесткость назначалась исходя из каталогов.

Для опор качения модуль упругости был в десятки раз ниже, чем у стали. В данной работе тела качения внутри опор не моделировались. Через понижение модуля упругости учитывалась присущая телам качения невысокая контактная жесткость.

При моделировании в геометрию и параметры МКЭ-моделейпортальных фрезерных станков МС620 и МС21Г25 умышленно вносились некоторые различия. Целью было максимальное отдаление несущих систем друг от друга, чтобы были лучше видны общие и индивидуальные черты.