ZESZYTY N A U K O W E P O L IT E C H N IK I ŚLĄSKIEJ 1995
Seria: M E C H A N IK A z. 121 N r kol. 1266
Klaudiusz K L A R E C K I, Ja n u sz ŚLIW KA, Jan K O SM O L Katedra Budowy M aszyn
Politechnika Śląska
M O D E L O W A N IE B E L E K S U P O R T O W Y C H T O K A R E K K A R U Z E L O W Y C H 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
S treszczenie. W artukule przedstaw iono ocenę konstrukcji belek suportow ych to k a re k karuzelow ych serii K C H produkcji F.O. "R afam et" n a podstaw ie obliczeń statycznych i dynam icznych m eto d ą elem entów skończonych (program y P R O M E S 4 i O .K .M E S/3). Porów nano kilka istniejących konstrukcji.
T H E M O D E L L IN G O F C R O SSR A IL O F T U R N IN G A N D B O R IN G L A T H E
W IT H F IN IT E E L E M E N T M E T H O D
S u m m a r y . I n t h i s p a p e r , e v a lu a tio n o f c r o s s r a i l d e s in g o f tu rn in g an d b oring lath es o f K C H ( m anufactured F.O . "R afam et") family is p resen ted . T h e evaluation was perform ed according to static a n a dynam ic calculations conducted w ith finite elem ent m ethod (com puter program s P R O M E S 4 and O .K .M E S/3). A few existing crossrail desing are com pared.
M XEJM POm EM E nOilEPEEHH
KAPYCEJIbfflX CTAHKOB METOIICM KOHETOK EIIHV1EHT0B
P e a m e . B C TaTbe noMemeHa o u eH x a KOHcrpyKitHH n o n e p e u H H KapycejibHH X c t 3 h k o b c e p u « k c h npoH3BozieHHx Ha F . O . "r a f a m e t" , Ha OCHOBaHHH p e3 y n b T a T 0 B CTaTHHeCKHX H nMHaMHHeCKHX BUHHcneHti MeTOiioM k O H ehhhx b jis m s h to b ( KOMnbiOTepHaH nporpaM M a PROMES4 H O . K . M E S /3 ) .
1. W STĘP
Belki suportowe tokarek karuzelowych sa tymi elementami, które obok suwaków maja największy wpływ na dokładność obrabianych na tych obrabiarkach detali. W praktyce konstrukcyjnej bardzo rzadko sa one dokładnie obliczane i sprawdzane sztywnościowo, a praktycznie w ogóle nie sprawdza się ich własności dynamicznych przed wykonaniem w metalu. Ze względu na skomplikowany kształt belki oraz złożoność obciążenia wyniki
154 K. K larecki, J. Śliwka, J. Kosmol przybliżonych obliczeń sztywności (np. metoda Mohra) najczęściej rozm ijają się ze stanem faktycznym. Dlatego też postanowiono do sprawdzenia konstrukcji użyć metody elementów skończonych, która mim o swojej czasochłonności okazuje sie najlepsza do optymalizacji tego typu jednostkowych konstrukcji.
2. OPIS M ODELOW ANYCH BELEK
Belki suportowe, o których mowa w referacie, należa do tokarek karuzelowych dwustojakowych serii KCH produkowanych przez F .O "Rafamet". Omówione zostana belki czterech tokarek karuzelowych KCH-250/280, KCH-320/350, KCH-500/550 oraz KCH- 700/800 (pierwsza cyfra nazwy mówi o średnicy stołu /w cm /, druga o maksymalnej średnicy toczenia).
Belki maja konstrukcje skrzynkowa, z poszerzona częścią środkowa (tj. częścią znajdujaca sie pomiędzy prowadnikami belki). Skorupa belki jest usztywniona żebrami (poziomymi i pionowymi). W części środkowej, z uwagi na duży przekrój, występują również ukośne zastrzały o przekroju krzyżowym. Zarówno w skorupie, jak i żebrach istnieją otwory technologiczne (o brzegach wzmocnionych kołnierzami). Na ściance przedniej belki znajdują sie elementy pod prowadnice suportu (suportów). Na uwagę zasługuje fakt, że tylko belka suportowa tokarki K CH-500/550 posiada zmieniony w porównaniu z pozostałymi belkami przekrój poprzeczny. Na rys. 1 pokazano omawiane belki suportowe. Pionowymi liniami przerywanym i zaznaczono części belki pomiędzy prowadnikami.
W szystkie belki wykonane zostały jako odlewy z żeliwa szarego Z1 300.
Rys. 1, Belki suportow e to k arek karuzelow ych serii K C H Fig. 1. T h e crossrails o f turning and boring la th e o f K C H family
M odelow anie belek suportow ych . 155 3. M ODELE OBLICZENIOW E
Belki suportow e pierwszych trzech z wymienionych tokarek zamodelowane zostały w systemie PROMES. Przy modelowaniu posłużono sie następującymi typami elementów skończonych: powłokowymi (odpowiednik elementów płytowo-powlokowych w programie O.K. M ES/3), belkowym i, tarczowymi, bryłowymi i podporowymi. Zewnętrzne ścianki oraz cześć żeber belek zamodelowano elementami powłokowymi, pozostałe żebra zamodelowano elementami belkowym i. Suport tokarki KCH 320/350 dla obliczeń statycznych zamodelowano elementami tarczowymi; przy obliczeniach dynamicznych suport został zastąpiony odpowiednio rozmieszczonymi masami skupionymi. Suporty tokarek KCH 250/280 i KCH 500/550 zamodelowano elementami bryłowymi, suwaki suportów - elementami belkowymi.
Model belki tokarki KCH 320/350 osadzono na sztywnych podporach, modele belek tokarek KCH 250/280 i KCH 500/550 osadzono na podporach podatnych w kierunkach X oraz Y, sztywnych w kierunku Z. Sztywności elementów podporowych dobrano tak, aby uzyskać sztywności połączenia prowadnicowego słup-belka: w kierunku X - 300 daN /jim , Y - 400 daN//*m [5].
Do zamodelowania belki suportowej tokarki KCH- 7 0 0/800 p o słu ż o n o sie programem O.K. M ES/3.
Model powstał z czterech r o d z a j ó w e l e m e n t ó w skończonych: elem entów p ł y t o w o - p o w l o k o w y c h , belkowych, bryłowych i typu sprężyna. Większość ścianek odlewu belki, podobnie jak część żeber, odwzorowano e l e m e n t a m i p l y t o w o - po w łokow ym i, p o zo stała część żeber elem entam i b e l k o w y m i , s u p o r t y e le m e n ta m i b r y ł o w y m i . M o d e l p o d p a r t o n a sprężynach o sztywności
dobranej podobnie ja k dla Rys.2. M odel belki tokarki K C H 700/800 NM belek KCH-250/280 i KCH- F i g l T h e m odel o f turninS and b o n n g la th e ’s crossrai1 500/550. Dokładny opis
użytych elementów znajduje się w pracy [2].
156 K. K lareckj, J. Śliwka, J. Kosmol
4. PORÓW NANIE SZTYWNOŚCI BELEK
Najważniejszym kryterium oceny korpusów obrabiarek ciężkich jest kryterium sztywności statycznej. W zasadzie belki suportowe można porównywać ze wzglądu na dw a kryteria sztywnościowe, a mianowicie:
a) wartości wskaźników sztywności, odniesionych do wierzchołka ostrza (WO),
b) wartości przemieszczenia WO spowodowane ugięciem belki pod wpływem cieżam własnego i ciężaru suportu.
Aby możliwe było porównywanie belek na podstawie wymienionych kryteriów, należy założyć dodatkowe warunki, jakie powinny spełniać modele obliczeniowe. W przypadku pierwszego kryterium wartości wskaźników sztywności zależa od wielu czynników, z których najistotniejsze to: sztywność belki, sztywność suwaka, średnica toczenia, wysięg suwaka.
Ponieważ w rozważanym przypadku istotna jest sztywność belki, pozostałe czynniki powinny być takie same dla wszystkich modeli porównywanych belek suportowych. Dla porównywanych tokarek karuzelowych suwaki mają taką samą sztywność (wszystkie są o przekroju kwadratowym 300*300 mm). Jako średnice toczenia dla poszczególnych modeli przyjęto wartość 0,2 maksymalnej średnicy toczenia. Wysuw suwaka przyjęto we wszystkich modelach taki sam, a mianowicie 500 mm. Wartości przemieszczenia W O pod wpływem ciężaru własnego belki wyznaczone zostały dla takich samych położeń suportów.
W tabeli 1 podano przemieszczenia W O od ciężaru własnego belki.
03
O
t_
CZL
ro
c=;o>
M
or-j Ula>
o>
rvi
O d l e g ł o ś ć w osi “ X" [% r o z p i ę t o ś c i bel ki ]
Rys.3. P orów nanie odkształceń prow adnic belek suportow ych w osi "Z"
Fig.3. C om parison o f the crossrail sliding way d eform ations in "Z" axis
M odelow anie belek suportow ych .. 157 Tabela 1
Obrabiarka
Min. śr.
toczenia [mm]
Przemieszczenie W O Qrm]
w osi "X" w osi "Y" w osi "Z" wypadkowe
KCH 250/280 560 1.4 -86,9 -67,9 110,3
KCH 320/350 700 0,22 -20,5 -20,2 28,8
KCH 500/550 1100 3,3 -17,3 -92,6 94,3
KCH 700/800 1600 8,0 -26,1 -282,2 283,3
Poza przemieszczeniami WO istotne jest także odkształcenie prowadnic. Na rys. 3 pokazane sa odkształcenia górnych prowadnic belek tokarek KCH 250/280 i KCH 700/800. Dla lepszego zobrazowania przyjęto, że odległość pomiędzy podporami to 100 % (w osi X).
5. PORÓW NANIE WŁASNOŚCI DYNAMICZNYCH
Przy zastosowaniu metody elementów skończonych w analizie dynamicznej belek suportowych wyznaczano wartości częstotliwości oraz postaci drgań własnych modelu. Jako parametr służący do porównania własności dynamicznych badanych belek przyjęto wartości i postacie pierwszych częstotliwości drgań. Jeżeli kryterium wartości pierwszej częstotliwości drgań własnych jest niewystarczające (np. gdy pierwsze częstotliwości porównywanych modeli sa zbliżone), można porównać wartości kolejnych częstotliwości.
Ocena cech dynamicznych modeli porównywanych obrabiarek ma charakter jakościowy.
Tak więc w efekcie można jedynie wskazać model (belkę) o lepszych własnościach dynamicznych.
Tabela 2 Tokarka karuzelowa Częstotliwość [Hz] Opis postaci
KCH 250/280 37 Drgania skrętne względem osi X
KCH 320/350 42,3 Drgania skrętne względem osi X
KCH 500/550 73,4 Drgania giętne suwaka
KCH 700/800 29 Drgania giętne w osi Y
Należy zauważyć, że belka tokarki KCH-320/350, w odróżnieniu od pozostałych belek, została posadowiona na sztywnych podporach.
15&. K. Klarecki, J. Śliwka, J. Kosmol
6. PODSUM OW ANIE
Badania modelowe potwierdziły, iż rozpiętość belek suportowych (przy takim samym lub podobnym przekroju) istotnie wpływa na sztywność statyczna oraz wartości i postacie drgań własnych.
Interesujące jest spostrzeżenie, że belka suportowa tokarki KCH 500/550 NM, o nieznacznie zmienionym przekroju, cechuje się największa sztywnością skrętną.
Na podstawie modelowań, popartych badaniami na wykonanych egzemplarzach belek, stwierdzono, że dotychczasowe strategie projektowania, polegające na wykonywaniu belek o takim samym przekroju (co jest uzasadnione ze względów technologicznych), a następnie stosowanie bardzo kłopotliwego przeprężania lub stosowania dodatkowej belki korekcyjnej w celu uzyskania żądanych wypadkowych odkształceń belki, nie są optymalne.
LITERATURA
[1] K. Grajek: "Obliczenia statyczne i dynamiczne belki suportowej tokarki karuzelowej KCH 320N" - Raport: T Z -A 2/131-1/93/NB Gliwice 1993 r. (praca nie publikowana).
[2] Praca zbiorowa: "O.K. MES/3 Instrukcja" Wyd. l . Oprogramowanie komputerów W arszawa 1991 r.
[3] PN-82/M -55655. Tokarki karuzelowe jednostojakowe i dwustojakowe. Sprawdzanie dokładności.
[4] K. Grajek: PRO-MES 4.0 - opis systemu. Gliwice 1993.
[5] S. Zeweld: Ocena porównawcza struktury nośnej obrabiarek ciężkich ( Rozprawa doktorska. Gliwice 1990.
Recenzent: prof. dr hab. inż. A. Tylikowski Wpłynęło do Redakcji w grudniu 1994 r.
