Обеспечение технологической надежности специального агрегатного оборудования со сварными корпусными деталями тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.02.08, кандидат технических наук Порхунов, Сергей Геннадьевич

• Порхунов, Сергей Геннадьевич
• кандидат технических наук
• 2011

Оглавление диссертации кандидат технических наук Порхунов, Сергей Геннадьевич

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.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Обеспечение технологической надежности специального агрегатного оборудования со сварными корпусными деталями»

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.

Заключение диссертации по теме «Технология машиностроения», Порхунов, Сергей Геннадьевич

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».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Порхунов, Сергей Геннадьевич, 2011 год

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