Рациональное проектирование несущих конструкций тяжелых и уникальных многоцелевых станков

Совершенствование и развитие машиностроения, как основы научно-технического прогресса в различных отраслях народного хозяйства, связано с прогрессом технологического оборудования. Основным видом технологического оборудования для размерной обработки деталей является металлорежущий станок. Он представляет собой машину, обеспечивающую относительные перемещения металлорежущего инструмента и обрабатываемого изделия для придания изделию требуемой согласно чертежу формы с заданными производительностью и точностью путем снятия стружки.

Расширение функциональных возможностей металлорежущих станков, обеспечение их высокого качества и эффективности, точности, эксплуатационной надежности и стабильности сопровождается непрерывным возрастанием их конструктивной сложности, Так, в результате решения проблемы автоматизации производства появились качественно новые металлорежущие станки с ЧПУ, резко изменившие традиционную конструкцию станков 60-х годов. Появились устройства АСИ и ACS, различные виды обработки стали осуществляться при минимальном числе установок заготовки, возросли требования к точности, жесткости, надежности станков с ЧПУ. Станки стали значительно сложнее при проектировании, изготовлении и эксплуатации. Для обработки сложных корпусных деталей применяют сверлильно-фрезер-но-расточные станки с ЧПУ с устройствами АСИ и ACS, получившими название многоцелевых станков (МС).

Усложнение конструкций современных станков сопровождается ростом трудоемкости проектно-конструкторских работ. Использование традиционных методов проектирования конструкций приводит к существенному удлинению сроков разработки, снижению ее технике-экономической эффективности и ухудшению качественных показателей. Сейчас уже недостаточно использовать просто приемлемое техническое решение, а требуется оборудование оптимальное по своим конструктивным, технологическим и эксплуатационным характеристикам.

Выходом из сложившегося положения является использование автоматизированных методов проектирования металлорежущих станков с использованием ЭВМ, а также совершенствование организации проектных работ. Здесь существенная роль сводится к развитию теории и методов проектирования на основе достижений вычислительной математики, системного анализа, теории оптимизации, теории моделирования, механики, практики конструирования металлорежущих станков.

Особая роль в общем процессе автоматизированного проектирования отводится математическому моделированию физических процессов, протекающих в станках, направленному на обеспечение надежного функционирования оборудования в заданных условиях эксплуатации. Преимущества математического моделирования, как альтернативы макетированию и натурным испытаниям, очевидны: удешевление и ускорение процесса моделирования, высокая оперативность смены параметров в модели, возможность проведения многовариантного анализа. В частности, в тяжелом станкостроении при проектировании МС массой в несколько сот тонн математическое моделирование является практически единственным путем снижения степени риска из-за высокой стоимости натурного эксперимента и единичности производства.

Современный металлорежущий станок, как объект проектирования, представляет собой относительно большую и сложную систему, имеющую развитую иерархическую структуру. Функционирование системы обеспечивают несколько подсистем, таких как главный привод, привод подач, привод позиционирования и др. Несущую систему станка, состоящую из последовательного набора соединенных между собой несущих конструкций (базовых деталей), можно рассматривать как подсистему, обеспечивающую физическое объединение других подсистем, а также составляющую основу для их функционирования. К несущим конструкциям относятся станины, стойки, корпуса шпиндельных бабок и т. п. (В настоящей работе шпиндельные узлы, к которым предъявляются специфические требования, не рассматриваются. Однако при рассмотрении несущей системы в случае необходимости учитываются жесткость и динамические характеристики шпиндельного узла). Несущие конструкции, в свою очередь, могут рассматриваться как подсистемы несущей системы станка и т. д. Таким образом, имеется несколько иерархических уровней представления станка.

Основные параметры качества станков закладывают на стадии проектирования. Следовательно, создание методов повышения технических параметров станков при сокращении сроков проектирования является, наряду с задачами организации производства и эксплуатации, одной из самых актуальных проблем станкостроения.

Приведем сравнительный анализ технических характеристик ряда многоцелевых станков, которые в той или иной мере отражают качество их проектирования.

1. В [65] описывается гамма тяжелых горизонтально-расточных станков, составляющих по диаметру выдвижного шпинделя ряд от 200 до 320 мм (продукция ПО «Тяжстанкогидропресс», г. Новосибирск). Станки применяются для обработки крупных корпусных и базовых деталей длиной б м и более, шириной и высотой несколько метров. Масса таких деталей составляет десятки и сотни тонн. Тяжелые горизонтально-расточные станки данной гаммы изготавливают единицами или партиями по нескольку штук.

Технические характеристики станков приведены в Приложении (табл.П.1.1). Учитывая, что данная гамма станков является базовой для гаммы современных многоцелевых станков, выпускаемых ПО «Тяжстанкогидропресс», в табл.П.1.1 приведены для сравнения характеристики тяжелого сверлильно-фрезер-но-расточного станка выпуска 1991 г. На рис.О.1 приведены результаты анализа ряда характеристик станков по отношению к соответствующим характеристикам станка мод.2660, которые приняты за единицу. Все станки имеют класс точности Н.

Анализ приведенных зависимостей показывает, что станок мод. НС421МФ4 (1991 г.) имеет технические характеристики, лежащие, в основном, в диапазоне характеристик станков 1969 года выпуска, за исключением массы, которая в 2,8 раза превосходит массу станка мод. 2660 при одинаковой компоновке несущей системы. Сравнение близких по функциональным возможностям станков мод. НС421МФ4 (1991 г., сверлильно-фрезер-норас точный.) и мод. НР-3 (1969 г., фрезерно-расточный) показывает, что при отношении диаметров выдвижного шпинделя 0,733 отношение массы станка к мощности электродвигателя главного привода составляет 4,2 и 2,5 т/кВт соответственно. Внутри гаммы рассмотренных станков наблюдается постоянный рост массы в сравнении с изменениями других характеристик.

2. Согласно [1013 в Приложении (табл.П.1.2 и П. 1.3) приведены технические характеристики ряда современных свер-лильно-фрезерно-расточных модулей.

На рис. 0.2 показаны результаты анализа характеристик.

3,0.

1,0.

1,5.

1Д.

0,5 О.

— Л, г.

3660 2А660 2670 2680 2А6&-0 НР~3.

1964 г.) модель станка.

НШМФА.

1991 г).

Рис.О.1. Показатели (в условных единицах) станков по отношению к соответствующим показателям станка мод.2660 (ПО «Тяжстанкогидропресс»): 1. Диаметр выдвижного шпинделя (о). 2. Масса станка (?). 3. Поперечное перемещение стойки (х). 4. Частота вращения шпинделя («. 5. Вертикальное перемещение шпиндельной бабки (ф). 6. Мощность электродвигателя главного привода (*). модулей согласно табл.П.1.2 по отношению к соответствующим характеристикам модуля ТАЕ32Ш (Польша), которые показывают, что при практически одинаковых технических характеристиках станки существенно различаются по массе.

На рис. 0.3 показаны результаты анализа характеристик двух отечественных станков: ИР1400ПМ1Ф4 (Ивановский завод тяжелого станкостроения) и ЛР500ПМФ4М (Ленинградский станкостроительный завод им. Я.М.Свердлова). Видно, что станок ЛР500ПМФ4М, обладая более высокими техническими характеристиками по сравнению со станком ИР1400ПМ1Ф4, имеет в 2,8 раза меньшую массу.

Таким образом, проведенный анализ технических характеристик ряда серийно выпускаемых станков показал, что станки одного класса точности имеют существенное различие по массе. Так как несущие конструкции по массе составляют 80−85% от массы станка, то технике-экономические показатели станка в большой мере определяются качеством их проектирования.

Несущие конструкции являются более специфичными для станков, чем, например, детали привода. Если детали привода (зубчатые колеса, валы) всегда выбираются по расчету, то размеры несущих конструкций до сих пор преимущественно выбираются на основе аналогии с хорошо зарекомендовавшими себя в работе конструкциями. Отметим также, что в балансе упругих перемещений станков деформации несущих конструкций достигают 30−50% в радиальном и осевом направлениях соответственно [1963, а по данным [71] в зависимости от вида главного движения (вращательное или поступательное)-50−90.

Конфигурация основных несущих конструкций выявляется в процессе разработки общей компоновки станка. В дальнейшем их проектирование связано с поиском компромиссного решения.

I I Ш IV.

Рис. 0.2. Показатели (в условных единицах) модулей по отношению к соответствующим показателям модуля TAE32NM [101]: 1-TAE32NM (Польша). 2-AS0K-32 (Польша). 3-ИР320ПМ1Ф4М (ССОР) I. Ширина стола. II. Частота вращения шпинделя. III. Перемещение шпиндельной бабки. IV. Перемещение стойки. V. Масса станка.

N ч ч ч ч ч ч ч ч N Ч Ч ч ч Ч ч К ч — ч ч ч ч ч s ч N ч ч ч ч.

I я Ш IV у vi.

Рис. 0.3. Показатели (в условных единицах) модуля ЛР500ПМФ4М (со штриховкой) по отношению к показателям модуля ИР1400Ш1Ф4 (без штриховки) соответственно [1011: I. Ширина стола. II. Частота вращения шпинделя. III. Перемещение шпиндельной бабки.IV. Продольное перемещение стола. V. Поперечное перемещение стола. VI. Масса станка. между противоречивыми требованиями [103]: создание конструкций жестких, но имеющих малую массупростых по конфигурации, но обеспечивающих высокую точностьдающих экономию металла, но учитывающих возможности литейной технологии при проектировании литых конструкций и возможности технологии сварных конструкций.

Интегральная оценка качества проектирования несущих конструкций может быть дана на основе их работы в составе несущей системы. В настоящей работе особенности проектирования несущей системы затрагиваются лишь в той мере, какая необходима при решении задач проектирования несущих конструкций. Здесь заметим, что проектирование несущих систем подчинено ряду требований, в частности, требованиям по ограничению уровня относительных перемещений (доли микрометра) в зоне резания под действием статических, динамических и тепловых нагрузок, обеспечению устойчивости при резании и снижению металлоемкости. Наличие таких факторов, как высокие требования к точности расчета (из-за малости допустимых деформаций), с одной стороны, и неопределенность исходных данных (в частности, по соединениям), сложность конструктивных форм, с другой стороны, существенно затрудняет проектирование несущей системы станка [74].

Современное состояние методов расчета несущих конструкций станков в существенной мере определяется работами отечественных ученых К. В. Вотинова, А. П. Соколовского, Д.Н.Реше-това, М. Е. Зльясберга, В. А. Кудинова, В. В. Каминской, З. М. Левиной, В. Э. Пуша, В. С. Хомякова и зарубежных — Г. Шлезингера, Ф. Кенигсбергера, ИЛлусты, СЛ’обиаса и др. Активно и плодотворно ведутся работы в организациях и предприятиях, таких как НИИМАШ, НПО ЭНИМС, МГТУ «Станкин», МГТУ им. Н. Э. Баумана,.

Ульяновское ГСКБФС, Одесское ОКБ прецизионных станков, ОКБС станкостроительного ПО им. Я. М. Свердлова (г.С-Петербург), ПО «Тяжстанкогидропресс» (г.Новосибирск).

В прошлом проектирование несущих конструкций станков являлось в значительной мере эмпирическим процессом, опирающимся на накопленный опыт эксплуатации. Конструктор при этом обеспечивается простыми расчетными схемами и соответствующими формулами для определения параметров конструкции. Раньше всего получили развитие расчеты на жесткость. Основные принципы составления расчетных схем конструкций обобщены в [71]. При составлении расчетных схем вводится ряд допущений: силовые факторы сводятся к сосредоточенным нагрузкамконструкции рассматриваются как брусья (стержни), пластины, коробки соответствующей приведенной жесткости и т. п. Приемлемость такого расчета реальных конструкций подтверждается экспериментально. Так, вычисленные и измеренные деформации стоек расточных станков при нагружении силой Ру (горизонтальная составляющая силы резания, перпендикулярная оси шпинделя) отличаются на 15% [71]. Такой подход сокращает время проектирования, экономится также время и на стадии утверждения.

Однако данный подход, известный в литературе как приближенный технический расчет, имеет ряд существенных недостатков. Во-первых, вследствие многообразия, сложности и взаимозависимости типов предельных состояний конструкций обычно неизвестны запасы прочности, жесткости, устойчивости при использовании простых эмпирических формул либо формул, известных в курсе сопротивления материалов, с эмпирическими поправочными коэффициентами — невозможно определить достаточна или избыточна жесткость (прочность, устойчивость). Поэтому такой подход не способствует принятию действительно эффек.

— 91 X тивных конструктивных решений, за что приходится расплачиваться излишней массой конструкции.

Во-вторых, формулы основаны на ряде упрощающих предположений и могут быть использованы лишь при определенных ограничениях, вне которых они становятся неточными.

В-третьих, указанные формулы направлены только на устранение возможности проявления различных форм нарушения работоспособности конструкции (исчерпание прочности, недостаточная жесткость и др.). В то же время имеется несколько путей достижения этого и конкретный способ, заложенный в формуле, не всегда соответствует назначению или условиям экономической эффективности станка, требованиям заказчика. Рациональное проектирование конструкций должно заключаться в выборе цели, активном продвижении к ней и достижении ее с максимально возможной точностью [1793. Этот процесс включает всесторонний анализ всех факторов, влияющих на прочностную надежность, и синтез этой информации с целью проектирования конструкции, наилучшим образом отвечающей поставленной цели и имеющей достаточную прочностную надежность. Здесь под прочностной надежностью понимается отсутствие нарушений работоспособности, связанных с разрушением или недопустимыми деформациями элементов конструкции [293.

К настоящему времени сложились два подхода к расчету конструкций станка: приближенный технический расчет, суть которого была изложена ранее, и расчет на основе метода конечных элементов (МКЭ). Последний, благодаря возможности учета всех геометрических и физических особенностей конструкции, позволяет получать более точные результаты. В станкостроении МКЭ активно применяется для статического и динамического анализа конструкций заданной геометрии [И,.

16, 40, 100, 131, 157, 202, 205]. По данным [131] картины деформированного состояния, полученные расчетом МКЭ и экспериментом, качественно совпадают, количественные расхождения не превышают 16%.

Однако в своей настоящей форме данный анализ используется лишь для идентификации технической задачи, но мало помогает конструктору в достижении действительно оптимальной конструкции, а также в определении способов модификации проекта с целью совершенствования рассматриваемых характеристик [182]. Лучшая конструкция выбирается на основе просчета МКЭ нескольких возможных вариантов. Однако в этом случае количество рассматриваемых вариантов ограничивается возможностями конструктора и значительно меньше общего числа вариантов, отвечающих всем сочетаниям варьируемых параметров. Поэтому вариант, признанный лучшим, является таковым не в абсолютном смысле, а лишь по сравнению с. небольшим числом других рассмотренных вариантов.

Дальнейшие шаги в направлении рационального проектирования несущих конструкций станков связаны с использованием при их расчете метода конечных элементов (МКЭ) в сочетании с методами однои многокритериальной оптимизации [64, 77, 78, 127,147,152,184,189]. В литературе встречаются следующие постановки задач оптимизации конструкций:

1. Минимизируется масса конструкций (станины токарного и фрезерного станков, траверса и колонна радиально-сверлильного станка) при выполнении ограничений по прочности, жесткости, низшим частотам собственных колебаний и устойчивости автоколебаний [147,152]. Расчетные схемы конструкций формируются по схеме МКЭ с использованием балочных элементов, задача оптимизации решается с помощью метода штрафных функций.

При решении задач данного типа достигается снижение массы до 20%.

2. Минимизируется стоимость изготовления (включается стоимость материала, сварки и механической обработки) несущих конструкций при ограничениях на точность и производительность механической обработки и на локальные деформации элементов конструкции [64]. В этой работе предложен многоэтапный метод оптимального проектирования, использующий упрощенные модели несущей системы (балочные элементы коробчатого типа) и включающий три этапа: упрощение конструкции, оптимизация и реализация. На последнем этапе определяются реальные формы и размеры несущих конструкций станка и методы механической обработки элементов конструкции с целью минимизации стоимости сварки и механической обработки. При решении задач оптимизации используется метод штрафных функций.

3. В работах [77,78] рассматривается подход к параметрической оптимизации несущих конструкций на основе обобщенного критерия:

Q=min L Ai (Ф1-Ф1Нд)/(Ф1нх-Ф1нл)5 i где Фщд и Фщх ~ соответственно наилучшее и наихудшее значения некоторого показателя Qi качества конструкции при наличии только линейных ограниченийAj — весовые коэффициенты. Так, при расчете стойки горизонтального координатно-расточного станка обобщенный критерий был принят в виде [77]:

Q=Ai (f-fнд) / (f Hx-f Ш1) + (V-Унл) / (?НХ-?НЛ), где f-перемещение точки приложения силы резания Fx в результате собственных деформаций стойки под действием только этой силыV-объем металла деформируемой части стойки. Стойка моделируется стержнем коробчатого прямоугольного поперечного сечения без перегородок. Для записи в явном виде Г и V используются зависимости работы [71]. Однако при данном подходе априорно неизвестны весовые коэффициенты указанных показателей, которые к тому же могут изменяться в зависимости от тенденций развития конструкции станков. Пути определения значений весовых коэффициентов не вполне ясны.

При решении задач многокритериальной оптимизации широко применяется метод Ж-поиск [165]. Однако для равномерного зондирования всего пространства управляемых параметров при ЛП-поиске нужно рассчитать показатели качества в сравнительно большом числе N точек этого пространства, что требует значительных затрат машинного времени. В работе [184] для оптимизации несущих конструкций одностоечного токарно-карусельного станка используется анализ чувствительности [116]. При расчете конструкций (рассматривается стойка, как наиболее деформируемый элемент) на жесткость используется МКЭ, при этом МКЭ и анализ чувствительности используются раздельно. В результате оптимизации получены варианты стойки с уменьшенной массой (на 10%) и податливостью в зоне обработки (более, чем в 2 раза).

Однако в станкостроении данное направление (методы оптимального проектирования в сочетании с численными методами) еще не нашло достаточного развития, что связано со сложностью' задачи — большая размерность системы, экспоненциальный рост объема вычислений при увеличении числа переменных проектирования, отсутствие объективной достоверности значений весовых коэффициентов в целевой функции в случае многокритериальной оптимизации и др. Кроме того, изменение в процессе оптимального поиска переменных проектирования (как правило, это геометрические параметры конструкции) требует. чтобы дискретизация конструкции была проделана заново на каждом шаге (задача с меняющимися границами). При этом МКЭ требует полную смену сетки первоначальной области для новой, развивающейся, что существенно затрудняет оптимальный поиск. В этой связи в литературе рассматривается расчет либо небольших по габаритам станков (переменные проектированиятолщина стенок профиля, сетка МКЭ постоянна) [147,152], либо отдельных несущих конструкций крупногабаритных станков [77,184]. Поэтому важными представляются разработки по совершенствованию оптимизационного подхода к проектированию станков, особенно крупногабаритных, решение задач по интегрированной работе численных и оптимизационных методов при создании программного обеспечения.

Наибольшее распространение в станкостроении получила ситуация, когда проектирование ведется на основе существующего базового варианта станка (прототипа). При этом в расчетах используются нормы жесткости ГОСТ, разработанные для станков основных типов. Однако в настоящее время отсутствуют нормы жесткости для ряда новых типов станков с ЧПУ, в частности, для тяжелых и уникальных многоцелевых станков. Из-за того, что данные станки изготавливаются единицами или партиями по нескольку штук (например, продукция ПО «Тяжстанкогид-ропресс», г. Новосибирск), практически отсутствуют априорные сведения о характеристиках станка, его отдельных узлов. Проектирование станков ведется на основе инженерного опыта, накопленного при проектировании близких по классу станков.

При классическом методе проектирования станок разбивают на отдельные узлы (несущие конструкции) по конструктивной зависимости. Полученные в результате расчета узлов упругие перемещения пересчитывают на соответствующие относительные перемещения инструмента и обрабатываемой заготовки в направлении., определяющем точность обработки. Однако при таком подходе сложно установить, какой должна быть доля упругих перемещений отдельного узла в нормах точности на обработку. Кроме того, разбиение станка на отдельные узлы дает возможность лишь распределить работу между разработчиками узлов станка, тогда как внутренние взаимосвязи (силовые, деформационные) на границах контакта узлов остаются неизвестными. В результате разработка отдельных узлов идет методом бесконечного приближения взаимных требований. В таких условиях необходима разработка технологии проектирования несущих конструкций станков с помощью аппарата системного анализа на основе информации о требуемых точности и производительности механической обработки, что позволит проектировать станки с заданными выходными характеристиками при наименьшей металлоемкости.

Целью настоящей работы является разработка технологии рационального проектирования несущих конструкций тяжелых и уникальных многоцелевых станков без избыточной металлоемкости.

Достижение поставленной цели автор видит в разработке технологии проектирования несущих конструкций тяжелых и уникальных многоцелевых станков как системы, учитывающей работоспособность станка в условиях интенсивных механических воздействий и позволяющей вести параметрическую оптимизацию в процессе проектирования.

Научная новизна работы заключается в разработке технологии проектирования несущих конструкций тяжелых и уникальных многоцелевых станков на основе использования результатов предварительного расчета компоновки станка с учетом контактных деформаций (внутренние силы, перемещения) как граничных условий для проектирования отдельных несущих конструкций, позволяющей получить конструкцию с геометрией поперечного сечения, имеющую минимально возможную массу при удовлетворении заданных норм производительности и точности механической обработки.

К основным положениям, которые содержатся в работе и выносятся на защиту, относятся следующие:

1. Метод проектирования несущих конструкций станков, позволяющий:

— проводить сквозное проектирование конструкций с уровня технического предложения до уровня рабочего проекта;

— проводить статические и динамические расчеты, параметрическую оптимизацию конструкций;

— результаты первого уровня задачи проектирования несущей системы выбранной компоновки (деформационные, силовые, геометрические параметры) использовать как граничные условия для решения второго уровня задачи (проектирование отдельных несущих конструкций).

2. Алгоритм параметрического синтеза конструкций, позволяющий получить конструкцию с реальной геометрией поперечного сечения, имеющую минимально возможную массу при удовлетворении заданных норм производительности и точности механической обработки.

— 29.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В настоящей работе изложена научно обоснованная технология проектирования несущих конструкций тяжелых и уникальных многоцелевых станков, внедрение которой вносит значительный вклад в решение проблемы повышения эффективности конструкторского проектирования станков. Технология проектирования конструкций представлена как система, обеспечивающая создание станков без избыточных возможностей, прогнозирование их работоспособности в условиях интенсивных механических воздействий и научное обоснование выбора проектных решений.