Моделирование несущей системы станка с использованием 3D-принтера Dimension Elite

скачать книгу бесплатно

Моделирование несущей системы станка с использованием 3D-принтера Dimension Elite
Инна Петровна Никитина

Константин Сергеевич Романенко

Александр Николаевич Поляков

Анатолий Иванович Сердюк

В учебном пособии представлена методика построения компьютерной модели несущей системы станка. Особенностью методики моделирования является построение модели, учитывающее погрешности ее печати на 3D принтере Dimension Elite.

Никитина И. П., Романенко К. С., Сердюк А. И., Поляков А. Н.

Моделирование несущей системы станка с использованием 3D-принтера Dimension Elite

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.