Wykorzystanie analiz MES w badaniach prototypów obrabiarek 44-100 Gliwice, Konarskiego 18A, tel: +48322371680,
PLAN PREZENTACJI WPROWADZENIE CHARAKTERYSTYKA OBRABIAREK CIĘŻKICH BADANIA MODELOWE OBRABIAREK CIĘŻKICH OPTYMALIZACJA KORPUSÓW OBRABIARKOWYCH PODSUMOWANIE
WSPÓŁPRACA KATEDRY BUDOWY MASZYN Fabryka Obrabiarek RAFAMET Spółka Akcyjna Design Technologies International "D.T.I." Sp. z o.o. Centrum Badawczo-Konstrukcyjne Obrabiarek Sp. z o.o.
WPROWADZENIE CHARAKTERYSTYKA OBRABIAREK CIĘŻKICH
Wymiary gabarytowe obrabiarek ciężkich 4900 4600 9000 11200 41000 9300 11000 4150 5200
Charakterystyka wybranych tokarek karuzelowych
Postać konstrukcyjna korpusów obrabiarek ciężkich
VIII Forum Inżynierskie Stowarzyszenia ProCAX Badania eksperymentalne obrabiarek ciężkich
Obrabiarki specjalne wielkogabarytowa tokarka kłowa RAFAMET S.A Konik Łoże Suport poprzeczny Suport tokarsko-frezarski Wrzeciennik
VIII Forum Inżynierskie Stowarzyszenia ProCAX Obrabiarki specjalne frezarka specjalna do wykorbień silników okrętowych RAFAMET S.A
Obrabiarki specjalne frezarka bramowa do obróbki z dużymi prędkościami skrawania (High Speed Machining) RAFAMET S.A
Obróbka z dużymi prędkościami (High Speed Machining) Nowe problemy: wzrost sił bezwładności spowodowany zwiększeniem prędkości i przyspieszeń ruchów przestawczych i związane z tym problemy doboru serwonapędów ruchu posuwowego, wzrost temperatur podzespołów realizujących ruch główny i ruchy posuwowe, takich jak węzły łożyskowe i przekładnie śrubowo-toczne oraz towarzyszący temu wzrost odkształceń cieplnych, zwiększenie zakresu częstości rezonansowych, związane ze znacznie wyższymi parametrami obróbki i dużą sztywnością korpusów.
Obróbka z dużymi prędkościami (High Speed Machining) Obrabiarki HSM frezarka bramowa Dane techniczne HSM 180 Prędkość przesuwów ustawczych narzędzia i stołu Przyspieszenie osi narzędziowych, podczas rozruchu do prędkości ustawczej Przyspieszenie osi przesuwu stołu wraz z detalem, podczas rozruchu do prędkości ustawczej- zależnie od masy detalu Dokładność pozycjonowania osi maszyny, w całym zakresie przesuwu Wrzeciono narzędziowe o prędkości obrotowej narzędzia wymienne automatycznie, z chwytem HSK lub CAPTO Prześwit w bramie Obciążenie stołu ok. 40.000 mm/min ok. 5 m/s 2 od ok. 2,5 m/s 2 przy obciążeniu 25% do co najmniej 1 m/s 2 przy obciążeniu 75% ok. 10 µm 18.000 obr/min 40 szerokość ok. 2200 mm, wysokość ok. 1200 mm ok. 12.000 dan
BADANIA MODELOWE OBRABIAREK CIĘŻKICH
Zakres zastosowania analiz MES dla obrabiarek: ocena sztywności statycznej ocena własności dynamicznych ocena rozkładu temperatury i odkształceń cieplnych
Analiza MES obrabiarki ciężkiej na przykładzie tokarki karuzelowej
Tokarka karuzelowa KDC 700/800 belka suportowa suwaki belka wiążąca suporty stojaki stół RAFAMET S.A
Analizowane podzespoły T X T XYZ T Y T XYZ T X T XYZ F T Y T YZ T XYZ T XYZ T XYZ T XYZ F T XYZ
Różne położenia podzespołów
Różne warianty obciążenia F 1 F 2 F 3
Model stołu
Dyskretny model stołu śruby mocujące
Podzespoły obrabiarek istotne z punktu widzenia dokładności prowadzonych analiz
Przekładnie śrubowo-toczne
Prowadnice toczne
Prowadnice ślizgowe
Uproszczenia modelowe
Uproszczenia modelowe
Uproszczenia modelowe Przemieszczenie [um] OBCIĄŻENIE DOCISKAJĄCE 12 10 8 6 4 2 0 0 15 30 Siła [kn]
Przykładowe wyniki analiz MES tokarki karuzelowej
Wyniki analizy naprężeń
Wyniki analizy przemieszczeń
Wyniki analizy przemieszczeń j i = P f i i gdzie: j i wskaźnik sztywności statycznej na kierunku i, N/µm P i siła obciążająca na kierunku i, N f i przemieszczenie mierzone na kierunku i, µm
Wyniki analizy drgań 40 częstość drgań własnych, Hz 35 30 25 20 15 10 5 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 pos tać drgań włas nych Suw aki w ys unięte położenie 1 Suw aki w ys unięte położenie 2 Suw aki w s unięte położenie 1 Suw aki w s unięte położenie 2
OPTYMALIZACJA KORPUSÓW OBRABIARKOWYCH
Optymalizacja korpusów obrabiarkowych Wymagania stawiane korpusom obrabiarkowym: duża sztywność statyczna i dynamiczna, dobrą zdolność tłumienia drgań, minimalne odkształcenia termiczne i ich symetryczność, mała masa korpusów ruchomych.
Optymalizacja korpusów obrabiarkowych Materiały stosowane do produkcji korpusów obrabiarkowych: żeliwo szare (korpusy konstrukcji nośnych, łóż i belek suportowych) stal (suwaki, częściowo suporty), materiały kompozytowe i polimerobeton (korpusy obrabiarek precyzyjnych i średniej wielkości).
Przykłady optymalizacji korpusów obrabiarkowych
ANALIZA STATYCZNA I DYNAMICZNA CENTRUM FREZARSKIEGO FB 125N "D.T.I." Sp. z o.o.
WYBRANE DO BADAŃ POZYCJE CENTRUM FREZARSKIEGO a) b) c) d)
ZESTAWIENIE WYNIKÓW SZTYWNOŚCI STATYCZNEJ CENTRUM FREZARSKIEGO sztywność statyczna, N/um 800,0 700,0 600,0 500,0 400,0 300,0 200,0 100,0 położenie 1 położenie 2 położenie 3 położenie 4 0,0 X Y Z kie rune k
ZESTAWIENIE CZĘSTOŚCI DRGAŃ WŁASNYCH CENTRUM FREZARSKIEGO 60 częstość drgań własnych, Hz 50 40 30 20 10 położe nie 1 położe nie 2 położe nie 3 położe nie 4 0 1 2 3 4 5 6 pos tać
VIII Forum Inżynierskie Stowarzyszenia ProCAX model oryginalny konstrukcji nośnej model z poszerzonym stojakiem na kierunku X model z poszerzonym stojakiem na kierunku X i Y model oryginalny z grubością ścianek stojaka 50mm f1= 25,7 Hz f2= 34,0 Hz f3= 34,8 Hz f1= 34,4 Hz f2= 36,0 Hz f3= 41,3 Hz f1= 38,1 Hz f2= 43,6 Hz f3= 47,9 Hz f1= 30,7 Hz f2= 39,4 Hz f3= 41,2 Hz f1= 45,8 Hz f2= 51,4 Hz f3= 56,4 Hz model z poszerzonym stojakiem na kierunku X i Y i grubością ścianek stojaka 50mm
MODYFIKACJA KONSTRUKCJI STOJAKÓW CENTRUM FREZARSKIEGO
rozwiązanie konstrukcyjne rozwiązanie konstrukcyjne konstrukcja oryginalna konstrukcja oryginalna rozw iązanie kons trukcyjne 1 2 3 4 5 6 7 konstrukcja oryginalna zwiększona grubością ścianek stojaka zwiększona grubość ścianek stojaków zwiększona grubość ścianek stojaków zwiększona szerokość stojaków zwiększona szerokość stojaków zwiększone wymiary wymiary przekrojów stojaków zwiększone wymiary przekroju stojaków zwiększone wymiary zwiększone wymiary przekroju stojaków i grubości zwiększone wymiary i grubości ścianek przekrojów i grubości stojaków ścianek stojaków wzmocnienie stalowymi wspornikami wspornikami wzmocnienie stalowymi wspornikami wzmocnienie wspornikami i wypełnienie betonem wzmocnienie stalowymi wzmocnienie stalowymi wspornikami i wypełnienie wspornikami betonem i wypełnienie betonem pierwsza częstość drgań własnych, Hz pierws za częs tość drgań włas nych, Hz 0 0 10 20 30 40 50 60 VIII Forum Inżynierskie Stowarzyszenia ProCAX
"D.T.I." Sp. z o.o.
Centrum frezarskie z przesuwnym stojakiem CBKO Sp. z o.o.
wskaźnik sztywności statycznej, N/um wskaźnik sztywności statycznej, N/µm 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 20 0 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 położenie 45 40 35 30 25 20 15 10 5 0 różnica, % wersja przed optymalizacją CBKO 1 wersja po optymalizacji CBKO 2 różnica,
pierwsza częstość drgań własnych częstoś,, Hz 200 180 160 140 120 100 80 60 40 20 0 200 180 160 140 120 100 0 1 2 3 4 5 6 postać 1 2 3 4 5 6 postać 30 25 20 15 10 5 5 0 0-5 -10 różnica, % wersja przed optymalizacją CBKO 1 wersja po optymalizacji CBKO 2 różnica,
Optymalizacja kształtu wrzeciennika centrum frezarskiego
Optymalizacja kształtu wrzeciennika centrum frezarskiego Postać korpusu Zaproponowana przez konstruktora Wynik optymalizacji kształtu / * Wskaźnik sztywności statycznej, N/um Masa korpusu, kg 372,7 313,1 / -16,0 na kierunku X 485,4 871,7 / 79,6 na kierunku Y 138,2 189,3 / 37,0 na kierunku Z 222,6 394,6 / 77,3 / * - oznacza zmianę w stosunku do modelu zaproponowanego przez konstruktora, % "-" - oznacza zmniejszenie wartości w stosunku do modelu zaproponowanego przez konstruktora, %
Optymalizacja parametryczna suwaka frezarki bramowej ściana boczna żebra D ściana wewnętrzna ściany zewnętrzne ściana boczna
Optymalizacja parametryczna suwaka frezarki bramowej Nazwa parametru wejściowego Zakres zmian parametrów wejściowych Zakres zmian parametru Sposób zmiany parametru Wartość zaproponowana przez konstruktora Grubość ściany bocznej, mm 50; 60 dyskretny 50 Grubość żebra, mm 10; 15; 20 dyskretny 20 Grubość żebra bocznego, mm 10; 15; 20 dyskretny 20 Grubość ścianek zewnętrznych, mm 20; 25; 30; 35 dyskretny 20 Grubość ścianki wewnętrznej, mm 15; 20; 25 dyskretny 30 Średnica D, mm 250-430 ciągły 427
Optymalizacja parametryczna suwaka frezarki bramowej Wyniki optymalizacji parametrycznej suwaka Nazwa Model 1 Model 2 Grubość ściany bocznej, mm 50 50 Grubość żebra, mm 10 10 Grubość żebra bocznego, mm 15 10 Grubość ścianek zewnętrznych, mm 35 30 Grubość ścianki wewnętrznej, mm 15 15 Średnica D, mm 428,09 370,64 Masa, kg 3037,4 2789,8 Przemieszczenie maksymalne punktu P na kierunku X, 27,2 30,6 Przemieszczenie maksymalne punktu P na kierunku Y, 15,3 16,5
Optymalizacja parametryczna suwaka frezarki bramowej Wartości parametrów wyjściowych oraz uzyskane w wyniku optymalizacji zmiany w odniesieniu do postaci konstrukcyjnej i wymiarów zaproponowanych przez konstruktora Model Masa, kg Redukcja masy, % Wskaźnik sztywności statycznej, N/µm Zmiana wskaźnika sztywności statycznej, % kierunek X kierunek Y kierunek X kierunek Y model zaproponowany przez konstruktora 3098,1 ---- 317,5 625,0 ---- ---- Model 1 3037,4-2,0 367,6 653,6 +15,8 +4,6 Model 2 2789,8-10,0 326,8 606,1 +2,9-3,0 znak: + - oznacza wzrost danej wielkości znak - - oznacza zmniejszenie danej wielkości
PODSUMOWANIE
PODSUMOWANIE W przypadku obrabiarek ciężkich badania modelowe wydają się być jedyną drogą oceny konstrukcji na etapie projektowania. Wiedza doświadczonego konstruktora jest niezbędna, ale niewystarczająca do tworzenia nowych, innowacyjnych konstrukcji obrabiarkowych. Powinna zostać wsparta symulacjami prowadzonymi z wykorzystaniem metod numerycznych, takich jak np. Metoda Elementów Skończonych. VIII Forum Inżynierskie Stowarzyszenia ProCAX Zakłada się, iż kierunkiem rozwoju obrabiarek ciężkich na najbliższe lata będzie optymalizacja korpusów. Wiedza konstruktora-eksperta wymagać będzie wsparcia na drodze analiz MES. Tworzenie optymalnych konstrukcji korpusów wymaga zastosowania specjalnego, przeznaczonego do tego celu oprogramowania.
DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ
Wykorzystanie analiz MES w badaniach prototypów obrabiarek 44-100 Gliwice, Konarskiego 18A, tel: +48322371680,