Seria: M E C H A N IK A z. 115 N r kol. 1230
Jan K O SM O L , Janusz ŚLIW K A Instytut Budow y M aszyn P olitech n ik a Śląska
K O M P U T E R O W A W E R Y F IK A C JA K O N S T R U K C JI S T O Ł U O B R O T O W E G O T O K A R K I K A R U Z E L O W E J
M E T O D Ą E L E M E N T Ó W S K O Ń C Z O N Y C H
Streszczenie. W artu k u le przedstaw iono ocenę konstrukcji stołu obrotow ego to k ark i karuzelow ej K C H 320/350 N M na podstaw ie obliczeń statycznych i dynam icznych m e to d ą elem entów skończonych (p ro g ram O .K .M ES/3).
Z ap ro p o n o w a n o zm ianę konstrukcyjną.
T H E C O M P U T E R V E R I F I C A T I O N O F T U R N T A B L E C O N S T R U C T IO N O F T U R N IN G A N D B E R IN G L A T H E
O F F IN IT E E L E M E N T S M E T H O D
Sum m ary. In this article has b een in tro d u ced estim ation of tu rn tab le co n stru ctio n o f turning an d boring lath e K C H 320/350 N M on th e g round o f static a n d dynam ic calculation result of finite elem ents m eth o d (c o m p u te r p ro g ram O .K .M E S /3). T h e construction change w ere offered.
KOMIIblOTEPHAH B E P H iM A U H H KOHCTPYKUHH OBOPOTHOTO CTOJIA KA PYCEJIbH O rO CTAHKA METODOM KOHEDHHX
EJIEMEHTOB
P eąio M e. B C T a T b e n o M e m e n a o u e H K a K O H C T p y K U . H n cTOJia K a p y c e n b H o r o C T a H K a k c h 3 2 0 / 3 5 0 n m H a o c H O B a H H H p e3 yj iT a TO B C T a T H n e C K H X H U H H a M H U e C K H X BRUHCneHii M B T O f l O M K O H e U H H X a n e M e n T O B ( KOMnbioTepHaft n p o r p a M M a O . K . m e s / 3 ) .IIpenno*eHO ' K O H C T p y K U H O H H H e C M e H H .
1. W ST ĘP
Stoły o b ro to w e tok arek karuzelowych w pow szechnej p raktyce konstrukcyjnej nie były dotychczas obliczane sztywnościowo. Przy ich konstruow aniu o p ieran o się zazwyczaj na dośw iadczeniu i intuicji k onstruktora. T ak w ykonane stoły spełniały swoje zadanie lecz należy sądzić, że odbiegają o n e od konstrukcji optym alnej. Z e w zględu na specyfikę kształtu stoły b ard zo tru d n o je st obliczać sztywnościowo m etodam i konw encjonalnym i (np.
m eto d a M o h ra ) nato m iast badania m odelow e są zazwyczaj kosztow ne i czasochłonne.
P o d jęto się oceny stoki tokarki karuzelow ej K C H 320/350 N M produkcji F.O.
"R A F A M E T 1' za p o m o c ą m etody elem entów skończonych w zastosow aniu n a k o m p u ter klasy PC. D o tego celu posłużono się p rogram em kom puterow ym O.K. M ES/3.
2. O PIS M O D E L O W A N E J K O N S T R U K C JI
Stół obrotow y składa się z trzech części: górnej, prow adnicy górnej o raz wieńca zębatego (p a trz R y s.l). G ó rn a część stołu oraz prow adnica g ó rn a są odlew am i z żeliwa m aszynow ego Z L 300 i Z1 250, w ieniec zębaty wykonany je st ze stali stopow ej 34 H NM . G ó rn a część stołu je st płytą o średnicy 3200 mm. O d dołu płyta ta je st w zm ocniona dw unastom a żeb ram i rozm ieszczonym i prom ieniow o co 30 stopni o raz żebram i obwodowym i. D odatkow o płytę stołu w zm acniają m ałe żebra rozm ieszczone pom iędzy żebram i prom ieniow ym i co 15 stopni na średnicy od 2340 m m do 3200 mm . O d dołu żebra p ołączone są ściankam i. W ysokość tej części wynosi 470 mm . G ó rn a część stołu ma m asę około 10 ton.
R y s.l. S tół obrotow y F ig .l. R o ta te ta b le
Prow adnica górna zbudow ana jest p odobnie ja k opisany powyżej elem ent. Jej średnica wynosi 2300 mm , wysokość 317 mm a m asa około 3 tony. Na prow adnicy górnej znajduje się w ieniec zębaty,od którego napędzany jest stół. Jest to pierścień z naciętym uzębieniem
K o m p u tero w a w eryfikacja
zew nętrznym , o średnicy zew nętrznej 2520 mm i wysokości 228 m m . M asa jeg o wynosi 1,8 tony.
3. M O D E L O B L IC Z E N IO W Y D o budow y m odelu użyto pięciu rodzajów elem en tó w skończonych do zam odelowania poszczególnych partii stołu, i tak :
a) elem en t płytowo pow łokow y - pow ierzchnia ro bocza stołu oraz ścianki odlew u,
b) elem en t bryłowy - żebra prom ieniow e i obw odow e oraz
w ieniec zębaty, . .
Rys.2. Z e b ro prom ieniow e - górna częsc c) elem en t belkow y - obrzeża pig.2. R adial rib - to p piece
otw orów w dolnej części prow adnicy górnej,
d) elem en t sprężyny - łożysko w zdłużne.
D okładny opis użytych elem entów znajduje się w pracy [2]. C ałość stołu obrotow ego podzielona zo stała na 35 grup elem entów . Na rys.2 przedstaw iono górną część żebra prom ieniow ego. N a przykład wszystkie żebra prom ieniow e górnej części stołu opisane są p o p rzez sześć g rup elem entów .
O trzym ano m odel o następujących w ielkościach charakterystycznych:
1.Liczba węzłów: 2312,
2.Liczba elem en tó w typu bryła: 696,
S.Liczba elem en tó w typu płytowo-powłokowy: 1212, 4 U c z b a elem en tó w typu belka: 72,
S.Liczba elem en tó w typu sprężyna: 96.
W celu obliczenia sztywności statycznej tak otrzym any m odel należało obciążyć.
Największy wpływ na stan odkształcenia stołów obrotow ych to k a re k karuzelow ych oprócz ciężaru p rzed m io tu obrabianego, który ma decydujące znaczenie, m a rów nież siła pochodząca od uchwytu czteroszczękow ego. W obliczeniach po m in ięto wpływ sił skraw ania. K rok taki m ożna um otywow ać tym, że siły skraw ania m ają dużo mniejsze w artości w poró w n an iu z siłami masowymi i osiągają m aksym a w przypadku obróbki zgrubnej (dla takiej obróbki m ałe znaczenie m ają niedokładności spow odow ane niewielkim i odkształceniam i stołu).
Przygotow ano pięć w ariantów obciążenia m odelu. W ram ach każdego w ariantu rozróżniono trzy przypadki. Przykładow o przedstaw iony zostanie tylko w arian t III jak o dający najw iększe odkształcenia pow ierzchni roboczej stołu.
Przypadki obciążeń w ram ach w ariantu III:
P rzypadek 1 - ciężar własny stołu Q oraz ciężar p rzed m io tu obrab ian eg o Q p o średnicy 1306 m m i wysokości 2450 mm (ciężar p rzed m io tu obrab ian eg o około 30 ton tj. m aksym alny dopuszczalny).
P rzypadek 2 - obciążenie siłami P od uchwytu 4-szczękow ego dla takiego sam ego p rzed m io tu obrab ian eg o ( P m = 0,08 [M N ]/szczękę).
P rzypadek 3 - sum a obciążeń z przypadków 1 i 2 (p a trz rys:.3).
4. A N A L IZ A U Z Y S K A N Y C H W Y N IK Ó W O B L IC Z E Ń 4.1. O d k ształcen ia statyczne
N ajistotniejszym i ze w zględu na dokładność obrab ian eg o p rzed m io tu są odkształcenia górnej tarczy stołu (roboczej pow ierzchni stołu) w osi "Z", która dla przedm iotu obrab ian eg o je st pow ierzchnią bazow ą. Zdefiniujem y odkształcenie A Z. Jest to odchylenie zarysu pow ierzchni roboczej stołu od zarysu idealnego w kierunku osi "Z". N a rys .4 pok azan o zależność odkształcenia A Z od odległości od środka stołu na odcinku AB (p atrz rys. 1) dla interesującego nas w ariantu. N ależy stwierdzić, że naw et w tym przypadku odkształcenia pow ierzchni roboczej stołu mieszczą się w granicach odkształceń, które nie m ają w iększego wpływu na dokładność obróbki.
R ów nież odształcenia pow ierzchni roboczej spow odow ane siłam i od uchwytu 4- szczękow ego nie m ają wpływu na dokładność obróbki na stole. Ich w artości są na tyle m ałe (m aksym alnie nie przeraczają 1 jim ), że m ożna je pom inąć. N a uwagę zasługuje fakt, że w większości przypadków odkształcenia te odejm ują się od odkształceń spow odow anych ciężarem własnym stołu i przedm iotu, ob rab ian eg o . O pierając się na powyższym stw ierdzeniu m ożna w nioskować, że ew entualne zw iększanie siły zacisku uchwytu 4-szczękowego nie wpłynie niekorzystnie na o dkształcenie przpadkow e stołu obrotow ego, a w większości przypadków je zmniejszy.
Interesujący jest rów nież wpływ prow adnicy górnej na sztywność stołu. Wpływ ten jest niewielki, mniejszy lub porów nywalny z wpływem podatności łożyska wzdłużnego.
4.2. W łaściwości dynam iczne
W wyniku iteracji p o d p rzestrzen n ej otrzym ano pierw sze pięć częstości drgań własnych:
f | = 495 Hz, f9 .= 666 H z, f-j = 669 Hz, t'4 = 80Ó Hz, fg = 824 Hz.
--- 01^06 ---
Qp
ł 24 5G
—i Pr’
I7J - r t> i
l i ---"Îl
Os
*3200 Rys.3. W ariant obciążenia III Fig.3. A lternative duty III
K o m p u tero w a weryfikacja
Odlęgtość od środka stoHj [mm].
Rys.4. O d kształcenie A Z - W ariant III Fig.4. D efo rm atio n A Z - A lternative III
Z analizy dynam icznej wynika ¿ e stół obrotow y jest konstrukcją p o p raw n ą, o czym świadczyć m oże wysoka (około 10 razy większa od belki suportow ej [1]) pierw sza częstość drgań własnych.
5. P O D S U M O W A N IE
O bliczenia wykazały, że stó ł obrotow y je st konstrukcją spełniającą wymogi sztywnościowe. Szczególną uw agę należy zwrócić na zasadność zastosow ania prow adnicy górnej ja k o osobnego elem entu.
D alsze ew en tu aln e prace nad m odelem stołu powinny iść w kierunku uwzględnienia podatności połączenia górnej części stołu z prow adnicą górną o raz dokładnego uw zględnienia podatności łożyska wzdłużnego, którego p o d atn o ść m a znaczący wpływ na podatność układu w rzeciona roboczego (stoł + łożyskow anie).
L IT E R A T U R A
[1] K. G rajek: “O bliczenia statyczne i dynam iczne belki suportow ej tokarki karuzelow ej K C H 320N" - R ap o rt: TZ-A 2/131-1/93/NB Gliwice 1993 r. (p raca nie publikow ana) [2] P raca zbiorow a: "O.K. M ES/3 Instrukcja" W yd.l. O pro g ram o w an ie kom puterów
W arszaw a 1991 r.
[3] PN-82/M -55655. T okarki karuzelow e jednostojakow e i dw ustojakow e. Spraw anie dokładności.
R ecen zen t: Prof, d r hab. inż. Jerzy H o n czaren k o W płynęło do red ak cji w grudniu 1993r.
A b stract
T h e tu rn tab les o f turning and boring lathes are those elem en ts w hich w eren ’t stiffly evaluated calculation. D uring th eir construction one have b e e n b ased on intuition and experience o f the constructor. T h e tables are g reat disk elem en ts from several to several hun d red tons.
In the article is talk o f tu rn tab le o f the turning and boring lath e K C H 320/350 NM production o f M achine T ools W orks "R A FA M E T ". T h e m a s s 'o f th e table is about 15 tons. O ptym alization o f such construction can bring effects in form o f saving raw m aterials and bring positive influence on dynam ics o f the w hole m achine tool.
T h e m odel o f the table was created using to th a t finite elem en ts o f type: lum p /block/, plated-covered, balk, spring. O n the picture Fig.l we see o n e o f the radial ribs consisting of elem en ts o f block type.
F ro m the reco u n ted different variants o f loadings was tak en out th a t one, th a t gave the highest defo rm atio n o f tu rn tab le w orking surface (see Fig.2).
O n the ground of result analysis o f static calculations on e can include th a t the tu rn ta b le is an elem en t o f the elem en t of the considerable stiffness having not great influence on precision o f tre a tm e n t (the highest defo rm atio n o f th e w orking surface am ounts circa 6-7 /am in com parison with o th e r m achine tool units. Since the influence of th e higher guide on stiffness of turntable is not large (see Fig.3) one can stipulate m odification o f construction, consisting in om ission o f th e higher guide as sep arate elem ent and doing equal table.
In addition on e can notice th a t th e forces from th e four jaw chuck in m ajority o f cases bring ab o u t dim inuation o f resultant d eform ation o f tu rn ta b le w orking surface.
W ithin the dynam ic analysis w ere evaluated the first five frequences. O ne can perceive th a t in this form dom inates th e m ovm ent o f tu rn tab le w orking surface alo n g 'th e vertical axle, by the w ay th e sam e w orking surface deform s very insignificantly.
F rom dynam ic analysis results that, the tu rn tab le is a co rrect construction th at can m anifest th e high first frequency (circa 10 tim es g re a te r from th e crossrail o f the m achine tool).
T h e fa rth e r w orks at the tab le m odel should go in direction o f reg ard th e w orkability o f union the higher p art o f the table with the higher guide and taking precise in consideration w orkability o f the longituinal bearing, w orkability o f which has a considerable influence on
w orkability o f th e w orking spindle (table + bearing).
