Читать онлайн Моделирование несущей системы станка с использованием 3D-принтера Dimension Elite бесплатно
Введение
При анализе профессиональных задач основных образовательных программ, занимающихся подготовкой специалистов разных образовательных ступеней, является участие в разработке и внедрение прогрессивных технологий изготовления машиностроительных изделий. Одним из этапов создания сложных изделий является создание физических моделей. В настоящих условиях построение физических моделей заменяют термином прототипирование. Ранее существовали разные технологии создания прототипов. Однако, в настоящее время с развитием CAD-систем и созданием 3D принтеров эти технологии получили наименование – технологии быстрого прототипирования. Ключевым моментом таких технологий является послойный синтез изделия по компьютерной модели.
Прототип позволяет: оценить внешний вид детали; проверить на наличие конструкторских ошибок в элементах конструкции; в отдельных случаях провести необходимые испытания; изготовить мастер-модель для последующего литья. Из практики установлено, что применение технологий быстрого прототипирования способно сократить сроки подготовки производства от 50 % до 80 %; в отдельных случаях исключить этап изготовления опытных образцов традиционными методами: вручную или на станках с ЧПУ.
Построение прототипа обычно происходит на основе твердотельной модели из CAD-систем. При необходимости дополнительной механической обработки прототипа учитывается припуск на обработку – учет происходит дополнительным увеличением размеров для обрабатываемых поверхностей. Далее в специализированных программных средствах 3Dпринтера эта модель разбивается на тонкие слои в поперечном сечении, с толщиной каждого слоя, равной разрешающей способности оборудования по z-координате. После этого осуществляется послойная печать детали.
Пособие разработано для образовательных программ трех ступеней образования: дипломированных специалистов, бакалавров и магистров.
При обучении дипломированных специалистов по направлению подготовки 151000 Конструкторско-технологическое обеспечение автоматизированных машиностроительных производств пособие используется в рамках дисциплины «Математическое моделирование процессов в машиностроении» и «Основы систем автоматизированного проектирования станков». При обучении бакалавров по направлениям подготовки 151900 Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств и 221000 Мехатроника и робототехника пособие используется в рамках дисциплины «Математическое моделирование процессов в машиностроении», «Основы систем автоматизированного проектирования станков» и «Основы технологии быстрого прототипирования». При обучении магистров по направлению подготовки 151900 Конструкторскотехнологическое обеспечение машиностроительных производств пособие используется в рамках дисциплины: «Расчет, моделирование и конструирование оборудования с компьютерным управлением».
Навыки, полученные студентами при изучении материалов данного учебного пособия будут использоваться при выполнении дипломных проектов по специальности 151002.65 Металлообрабатывающие станки и комплексы, а также в выпускных квалификационных работах бакалавров и магистров, обучающихся по направлениям 151900 Конструкторскотехнологическое обеспечение машиностроительных производств и 221000 Мехатроника и робототехника.
Пособие состоит из трех частей: краткой теоретической части по элементам несущей системы станка; сквозного примера на построение CAD-модели несущей системы станка и описания заданий для создания компоновок станков. Пособие снабжено приложением, включающим компоновки станков с ЧПУ, созданных на предприятии Стерлитамак М.Т.Е. (Россия, г. Стерлитамак).
1 Несущая система станка
1.1 Общие сведения
Необходимое пространственное расположение инструмента и заготовки под воздействием сил резания, собственного веса узлов и температурных воздействий обеспечивается несущей системой станка.
Несущая система станка образуется совокупностью элементов станка, через которые замыкаются силы, возникающие между инструментом и заготовкой в процессе резания ([1-5]).
К элементам несущей системы относятся станины и корпусные детали станков (основания, стойки, колонны, корпуса шпиндельных бабок и т.п.), а также каретки, суппорты, планшайбы, ползуны, траверсы, шпиндель с опорами и др.
1 – стойка; 2 – шпиндельная бабка; 3 – станина; 4 -нижние салазки; 5 – верхние салазки; 6 – поворотный стол; 7 – монтажная плита (спутник).
Рисунок 1.1 – Базовые детали несущей системы станка
Несущие системы станков должны обеспечивать и сохранять в течение срока службы станка возможность обработки с заданными режимами и требуемой точностью [6-8].
На рисунках 1.2 и 1.3 приведены примеры несущих систем и компоновок двух станков.
Рисунок 1.2 – Примеры несущих систем станков
а) обрабатывающий центр токарный с ЧПУ модели 800 VT; б) станок фрезерно-расточный с ЧПУ модели 800VF6.
Рисунок 1.3 – Компоновки станков завода Стерлитамак МТЕ (в настоящее время НПО «Станкостроение», Россия, г. Стерлитамак)
Понятия «Несущая система» и «компоновка» не тождественны, но непосредственно связаны между собой. Обычно под компоновкой станка понимают совокупность исполнительных звеньев и деталей несущей системы, характеризующихся пространственным расположением. Компоновка станка включает хотя бы один неподвижный элемент, разделенный стыками с подвижными элементами. В компоновках станков, в отличие от несущей системы, отсутствует степень детализации конструкторской проработки, присущая несущей системе. Однако, она в полной мере позволяет оценить формообразующие движения проектируемого станка и возможные проблемы конструкции. В приложении приведены компоновки станков с ЧПУ построенных по модульному принципу конструирования, наиболее полно реализованные в отечественном станкостроении на станкостроительном предприятии Стерлитамак М.Т.Е. (в настоящее время научно-производственное объединение «Станкостроение»).
Название базовых деталей отражает ее функциональное назначение.
По своей форме базовые детали можно подразделить на три группы: брусья – детали, у которых один габаритный размер больше двух других; пластины – детали, у которых один размер значительно меньше двух других; коробки – детали с габаритными размерами одного порядка.
Базовые узлы станков должны иметь:
– высокую точность изготовления всех ответственных поверхностей для обеспечения требуемой геометрической точности станка;
– высокую жесткость, определяемую контактными деформациями подвижных и неподвижных стыков и деформациями самих базовых деталей;
– высокие демпфирующие свойства, т.е. способность гасить колебания между инструментом и заготовкой от действия различных источников вибраций;
– долговечность, которая выражается в стабильности формы базовых деталей и способности сохранять первоначальную точность в течение заданного срока эксплуатации.
Кроме того, базовые детали должны иметь малые температурные деформации, из-за которых могут произойти относительные смещения между инструментом и заготовкой.
Перечисленные требования удовлетворяются правильным выбором материала базовых деталей и конструктивных решений, которые являются общими, несмотря на многообразие форм. При конструировании базовых деталей стремятся к созданию конструкций жестких, но имеющих малую массу; простых по конфигурации, но обеспечивающих высокую точность; дающих экономию металла, но учитывающих возможности литейной технологии и технологии сварных конструкций. Конструирование базовых деталей во многом опирается на богатый практический опыт, накопленный за долгие годы у нас в стране и за рубежом.
Элементы несущей системы. Станины и основания: 1) плиты, тумбы и основания без направляющих; 2) станины – простые горизонтальные с одной системой направляющих, простые вертикальные с одной системой направляющих, станины-основания с круговыми направляющими, сложные с несколькими системами направляющих; 3) станины портальные.
Детали и узлы для поддержания и поступательного или качательного перемещения инструмента: суппорты, ползуны, револьверные головки, салазки суппортов, поперечины суппортов, рукава.
Детали и узлы для поддержания и поступательного перемещения изделий: столы, салазки столов, консоли.
Детали и узлы для поддержания и направления вращающихся деталей станка: корпусы коробок скоростей и подач, корпусы шпиндельных бабок.
Детали и узлы для вращения инструментов и изделий: шпиндели и их опоры, задние бабки, планшайбы, вращающиеся колонны.
В качестве соединений деталей несущих систем применяют:
– неразъемные "соединения – сварные или с гарантированным натягом;
– разъемные – резьбовые, клиновые, шпоночные и зубчатые (шлицевые).
Основным принципом при создании базовых деталей является оптимальное использование материала. Базовые детали нагружены изгибающими и крутящими моментами, поэтому их целесообразно делать пустотелыми с замкнутым профилем. Замкнутые профили обладают высокими значениями моментов инерции на кручение и имеют более высокую крутильную жесткость по сравнению с разомкнутыми.
Станины несут на себе основные подвижные и неподвижные узлы станка. Форма поперечного сечения горизонтальных станин определяется: требованиями жесткости; расположением направляющих; условиями размещения и удаления стружки и охлаждающей жидкости; условиями размещения в станинах различных механизмов (рисунок 1.4).
Станины с двойными стенками в 1,3 – 1,4 раза жестче, чем станины с одинарными стенками. Внутренние полости между стенками часто делают замкнутыми и оставляют в них стержневую смесь. Сыпучий материал во внутренней полости повышает демпфирующие свойства станины. Применяются также станины, у которых отвод стружки производится через окна в задней стенке. Станины с наклонной задней стенкой и расположением направляющих на разном уровне обладают высокой жесткостью и хорошими условиями для отвода стружки.
Сечения, представленные на рисунках 1.4.а, 1.4.б, 1.4.в и 1.4. г, применяют при необходимости отвода большого количества стружки и охлаждающей жидкости. Наименее жесткими являются станины с сечением из двух стенок (рисунок 1.4.а), которые применяют в станинах на ножках токарных и револьверных станков с диаметром обработки до 400 мм.