Учет сил инерции при расчете токарных патронов
Материал из Xgu.ru
Автор: Артем Клавак
Содержание |
[править] Вплив відцентрових сил на значення затиску кулачків, розтискання кулачків
З розвитком технологій оброблення різанням з’являлися все більш потужніші та технічно досконаліші методи та устаткування, для виконання поставлених інженерних задач. Зокрема, при обробці на токарних верстатах особливу увагу слід приділяти установочно-затискним механізмам, які повинні забезпечувати надійне та точне утримання заготовок за умови складно-деформованого стану.
Однією з найбільш важливих задач, що зустрічаються при розрахунках сил затиску -- є урахування деформацій елементів конструкції під дією сил закріплення та інерції. Враховуючи, те що кулачкові механізми рухомі і мають значну масу, під дією інерційної сили, спричиненої обертанням патрона, навантаження починає зростати, а з ним зміна лінійних розмірів матеріалу кулачкової системи. Ця зміна є причиною розтискання заготовки і падіння сили затиску. На практиці дана проблема вирішується додатковим затиском на величину падіння сили затискання, таке вирішення проблеми несе негативний характер при високоточному обробленні та точінні тонкостінних заготовок.
[править] Постановка задачі
Встановити залежність W = f(n), величини сили затиску від частоти обертання на прикладі трикулачкового патрона токарного верстата. Маючи експериментальні дані (наводяться в паспортах патронів іноземних виробників), порівняти результати теоретичних розрахунків та встановити їх адекватність. Розробити рекомендації щодо використання результатів моделювання при проектуванні нових конструкцій.
[править] Розрахунок сил затиску в САЕ-системі
Для вирішення задачі використаємо середовище T-Flex Parametric CAD, а саме метод кінцевих елементів модуля <<T-Flex Аналіз>>.
Використовуючи методику розрахунку складальних одиниць, які з’єднані нерухомими контактними з’єднаннями, були об’єднані частини збірної конструкції патрона, а саме систему кулачків та їх засобів кріплення в єдине тверде тіло (рис.1 а,б), вважаючи з’єднання ефективним в плані протидії переміщень, завдяки конструктивним рішенням, тобто деталі які мають пази, насічки, кріпильні різьбові з’єднання та ін. Зауважимо, що дрібні конструкційні елементи були навмисне упущені, тому що великої ролі вони не відіграють, а лише збільшують час на розрахунки, можуть навпаки, замість точніших результатів дати грубіші. Таким чином об’єднання проводимо у зв’язку з тим, що створюючи матрицю тетраедричних елементів, додаємо до неї ще й матрицю деталей складальної конструкції, ми утворюємо умови, при яких задача не може дати очікуваний результат.
 Рис.1, а: Кулачок SHB-210 |
 Рис.1, б: Кулачок SWB-200 |
Вибравши із списку запропонованих задач, статичний розрахунок і тіло для задачі (кулачкову систему SHB-210), приступимо до формування тетраедричної сітки, що задовольнить умови поставленої задачі.
Сутність методу кінцевих елементів, що використовується в T-Flex Аналізі для вирішення нашої задачі, полягає в тому, що замінюються вихідна геометрична конструкція складної форми на дискретну математичну модель, що відповідним чином відображає фізичну сутність і властивості вихідної конструкції. Важливим елементом цієї моделі є кінцево-елементна дискретизація піддослідної деталі – побудова сукупності елементарних об’ємів заданої форми, об’єднаних в єдину систему – кінцево-елементну сітку. Параметри сітки повинні мати раціональний характер, тобто, не занизькими, але й не занадто високими, вони повинні мати оптимальний характер при розрахунках з дотриманням допустимої точності. Нижче наведено параметри розбиття сітки та генеровану модель (рис.2).
рис.2
Наступним кроком виконуємо розміщення просторових обмежень по переміщенню, закріплення. З можливих переміщень моделі кулачка, аналізуємо ті, що безпосередньо впливатимуть на хід розв’язання задачі, всіма іншими просто нехтуємо. Розмістимо два часткових закріплення:
- Забезпечуємо рух вздовж напрямних патрона, обмеживши рух в просторі до одного руху – зворотно-поступально по напрямній (рис.3). Обмеження ступенів вільності відбуваються в локальній системі координат.
- Створюємо аналогічний рух в клинових пазах, прив’язуючись до системи координат напрямних клинової пари (рис.4). зауважимо, що рух має граничні межі, це зумовлено конструктивним обмеженням в збірній 3D моделі патрона.
рис.3 4
Тепер навантажимо систему силами взаємодії, що виникають при моделюванні затисненої заготовки, що обертається в патроні. Напруження, що виникають від заготовки, реакцію на кулачки, зобразимо, як розподілену силу по площі контакту і напрямлену по нормалі до поверхні від заготовки. Ця сила й буде силою затиснення – Q, кH. Іншою складовою являється обертання патрона та відцентрова складова, що відіграє важливу роль у розтисканні кулачкової системи утримання. Для навантаження обертанням потрібно обрати тіло обертання – кулачок, та вісь, яка повинна співпадати з геометричною віссю патрона при обертанні, назвемо цю силу n, рад − 1 і зобразимо схему навантаження силової системи (рис.5).
рис.5
Після закінчення цих операцій, матимемо розрахункову модель, що повинна складатися з 3-х кулачкових механізмів зі змінними накладними кулачками (SHB-210, SWB-200, SWB-200-AL). Задача статики майже готова до вирішення, залишилося узгодити матеріали твердотільної моделі з матеріалами виробника. В кулачках використовуються конструкційна легована сталь, а саме сталь 18ХГ ГОСТ 4543-71, що відповідає: (DIN 16MnCr5), а в накладних частинах присутня технологічна варіативність. Так в вище сказаних частинах конструкції використовуються, згідно запропонованих фірмою, сталь 18ХГ в SHB-210, SWB-200, і алюміній в SWB-200-AL. Механічні характеристики даних матеріалів заносимо до бази даних.
Розпочнемо розрахунковий алгоритм, що складається з послідовних однотипних обчислень. Для отримання графічної залежності W=f(n) нам необхідно отримати модуль переміщень, в залежності від навантаження системи і оцінити відхилення у відсотковому відношенні до абсолютних, тобто, ми маємо отримати переміщення абсолютне, що складається з двох складових: відцентрової сили, та реакції на затиснення, і часткове, що являє собою переміщення тільки від відцентрових сил, причому механізм знаходиться у вільному стані. Дане співвідношення можна виразити формальною залежністю, за якою й будемо будувати графік падіння сил затиснення.
[править] Аналітичний розрахунок сил затиску
[править] Висновок
Результатами досліджень пружньо-жорсткісних характеристик затискного механізму патрона (Schunk ROTA NCO 210) стали графічні залежності наведені вище. З урахуванням відмінностей способу проведення дослідження було встановлено, що похибка розрахункової моделі в цілому лежить в межах допустимих норм, згідно паспортних даних [4]. Зважаючи на складність конструкції та взаємодії частин патрона при динамічному навантаженню, для отримання результатів та порівняння не враховано ряд факторів, що викликано обмеженістю модуля розрахунків. Таким чином, є можливість продовження досліджень в даному напрямку та подальшого вдосконалення та ускладнення розрахункової схеми з подальшим переходом у CAE середовища вищого рівня, що даватимуть можливість відтворити кінематичні та силові навантаження викликані режимами роботи. Застосування комп’ютерного аналізу дозволяє ще на стадії проектування відповідальних частин устаткування дослідити та отримати характеристики, що допоможуть поліпшити, чи вказати шляхи вдосконалення конструкції.
