ИСПОЛЬЗОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНОГО АНАЛИЗА ДЛЯ РАСЧЕТА ПЛОСКИХ ПРУЖИН СТАНОЧНЫХ ПРИСПОСОБЛЕНИЙ

USING NON-LINEAR ANALYSIS TO CALCULATE FLAT SPRINGS OF MACHINE TOOLS

Yana Maslova

Master student, Department of Mechanical Engineering Technology, Arzamas Polytechnic Institute (branch), Nizhny Novgorod State Technical University named after R.E. Alekseeva,

Russia, Arzamas

АННОТАЦИЯ

Данная статья посвящена методике проведения нелинейного анализа и усталостной прочности плоских пружин станочного приспособления в программном обеспечении SolidSimulation. На примере оптимизации конструкции плоских пружин станочного приспособления рассмотрены основные настройки имитационного моделирования с большими перемещениями при нелинейном анализе. Произведен подбор оптимальной конструкции плоской пружины станочного приспособления, удовлетворяющий условиям прочности, жесткости и долговечности.

ABSTRACT

This article is devoted to the technique of nonlinear analysis and fatigue strength of flat springs of machine tool in SolidSimulation software. On the example of optimization of the design of flat springs of a machine tool, the basic settings of simulation with large displacements in nonlinear analysis are considered. The selection of the optimal design of the flat spring of the machine tool, which meets the conditions of strength, rigidity and durability, has been made.

Ключевые слова: SolidSimulation, нелинейный анализ, станочное приспособление, плоская пружина, усталостная прочность.

Keywords: SolidSimulation, nonlinear analysis, machine tool, flat spring, fatigue strength.

В машиностроительном и приборостроительном производствах при изготовлении деталей широко используются различные станочные приспособления, позволяющие определенным образом базировать заготовку на станке и надежно закрепить ее.

Станочные приспособления должны удовлетворять не только условиям надежности, прочности, но также быть эргономичными и долговечными. В свою очередь излишняя долговечность приводит к увеличению стоимости конструкции, что негативно сказывается на цене конечного изделия.

Таким образом, современный инженер-конструктор и инженер-технолог на стадии разработки должны заложить и подтвердить запас прочности конструкции станочного приспособления, а также смоделировать ее долговечность.

В конструкции станочных приспособлений довольно часто используются плоские пружины, изготовленные методом формования материала. Данные пружины применяются при предварительном базировании заготовки, при ее центрировании и т.д.

С точки зрения проведения имитационного моделирования расчет таких пружин представляет наибольшую сложность, так как требуется проводить не статические прочностные расчеты, а нелинейные.

При изготовлении детали «Вилка» (см. рисунок 1) используется специальное станочное приспособление на операции обработки отверстия диаметром Ø25H9.

Рисунок 1. Деталь «Вилка»

Станочное приспособление (см. рисунок 2) состоит из несущей конструкции, гидроцилиндра (с силой на штоке 22176Н) и загрузочного бункера, с плоскими пружинами, центрирующими заготовку при базировании.

Рисунок 2. Станочное приспособление

В загрузочном бункере плоские пружины с двух сторон воздействуют на заготовку, тем самым центрируя ее перед приложением закрепляющего внешнего воздействия (см. рисунок 3).

Рисунок 3. Расчетная модель для нелинейного анализа

При разработке станочного приспособления необходимо подобрать такую конструкцию плоской пружины, чтобы рабочему не требовалось прикладывать излишнего усилия при установке и съеме заготовки. В свою очередь плоские пружины должны отработать годовую программу выпуска деталей – не менее 20000 циклов.

Выполним нелинейный анализ плоских пружин в программе SolidSimulation. Плоские пружины изготовлены из бронзы БрКМц3-1 толщиной 0,6 мм (см. рисунок 4).

Рисунок 4. Плоская пружина

Данные плоские пружины выбирают технологический допуск на ширину обрабатываемой детали, равный 0,74 мм и центрируют заготовку в станочном приспособлении.

Для расчета силы, необходимой для преодоления упругости пружин, выполним нелинейный анализ. Так же подберем оптимальную толщину плоской пружины, для снижения данной силы.

Для выполнения нелинейного анализа плоских пружин в программном обеспечении SolidSimulation необходимо первоначально задать материалы деталей, входящих в исследуемую сборочную единицу.

Далее необходимо задать поверхности жесткого закрепления. Плоские пружины устанавливаются в ответную деталь по плоским поверхностям на отгибах (см. рисунок 5).

Рисунок 5.  Поверхности закрепления

После указания поверхностей закрепления необходимо задать необходимые параметры, которые будут описывать процесс загрузки детали. Процесс загрузки можно задать следующим образом «Расширенные крепления на плоской поверхности» (см. рисунок 6)

Рисунок 6. Расширенное крепление на плоской поверхности

Задание данного параметра задает движение выбранной поверхности в нормальном направлении на величину 22,5 мм. То есть при загрузке рабочий после контакта детали с плоскими пружинами должен сместить заготовку на 22,5 мм, преодолевая усилие пружин.

Так же необходимо задать крепление «Ролик/ползун» (см. рисунок 7), которое моделирует то, что заготовка данной выбранной поверхностью опирается на смежную деталь и скользит по ней.

Рисунок 7. Крепление «Ролик/ползун»

Самым главным в моделировании нелинейного анализа плоских пружин является правильное задание контакта между деталями. В нашем случае между плоскими пружинами и заготовкой должен быть задан контакт «Нет проникновения», который гарантирует то, что одна деталь деформирует другую, но не проникает в нее и никак не связана с ней (не приклеена, не зафиксирована и т.д). Моделирование контакта представлено на рисунке 8.

Рисунок 8. Моделирование контакта между деталями

В модели задано два контакта – между деталью и каждой плоской пружиной. В результате проведения нелинейного анализа были получены следующие данные. Эпюра напряжений представлена на рисунке 9

Рисунок 9. Эпюра напряжений

По данной эпюре видно, что максимальное напряжение на плоской пружине равно 521МПа, что несколько превышает предел текучести материала бронзы (по ГОСТ предел текучести равен 500МПа). Таким образом, после первой загрузки детали плоские пружины деформируются, останутся в деформированном виде, далее будут работать в ослабленном состоянии.

Определим усилие, которое необходимо приложить рабочему для преодоления упругости плоских пружин. В результате определения сил контакта/трения были получены следующие данные (см. рисунок 10).

Рисунок 10. Усилие при загрузке заготовки

С течением времени усилие на выбранных поверхностях меняется по следующему графику (см. рисунок 11)

Рисунок 11. График отклика пружин

Усилие при загрузке заготовки равно 17,165 Н. Было принято решение снизить данное усилие минимум в три раза для удобства загрузки. Так же необходимо снизить напряжения, возникающие в плоских пружинах.

Рассмотрим второй вариант плоских пружин – толщиной 0,4 мм. При выполнении нелинейного анализа для данной конструкции были получены следующие данные.

Эпюра напряжений для пружин толщиной 0,4 мм представлена на рисунке 12.

Рисунок 12. Напряжения на облегченной плоской пружине

По данной эпюре видно, что максимальное напряжение на плоской пружине равно 333МПа, что не превышает предел текучести материала бронзы (по ГОСТ предел текучести равен 500МПа). Таким образом, после первой загрузки детали плоские пружины не деформируются и будут правильно работать в станочном приспособлении.

Усилие при загрузке при таком варианте плоских пружин равно 6Н (см. рисунок 13)

Рисунок 13. Усилие при загрузке заготовки на облегченных пружинах

С течением времени усилие на выбранных поверхностях меняется по следующему графику (см. рисунок 14.)

Рисунок 14. График отклика пружин

Таким образом, в результате проведения нелинейного анализа плоских пружин было рассчитано усилие, необходимое рабочему, чтобы он загрузил заготовку в приспособление. Так же была подобрана толщина материала, из которого необходимо изготовить плоские пружины.

Следующим этапом исследования плоских пружин является проведение расчета усталостной прочности конструкции для числа циклов 20000.

Для выполнения расчета необходимо конфигурировать событие. В нашем случае событием будет являться 20000 знакопеременное приложение нагрузки, которая возникает при загрузке заготовки в приспособление (см. рисунок 15).

Рисунок 15. Приложение нагрузки для загрузки заготовки

Далее необходимо сконфигурировать параметры условия (см. рисунок 16).

Рисунок 16. Параметры задаваемого условия для расчета усталостной прочности

В качестве параметров необходимо задать следующее:

• Число циклов – 20000.
• Тип нагрузки – полностью реверсивная (то есть нагрузка распределяется знакопеременно)
• Исходное исследование – нелинейное на 13-м шаге (в предыдущем отчете)
• Масштаб – 1

Далее необходимо сконфигурировать усталостную кривую для материала шпули (см. рисунок 17).

Рисунок 17. Усталостная кривая материала

Необходимо отметить, что усталостная кривая получена для материала БрКМц 3-1 на основе модуля упругости.

Далее необходимо произвести расчет и проанализировать получившиеся данные. Результатом проведения исследования является эпюра срока службы конструкции (число циклов) (см. рисунок 18).

Рисунок 18. Эпюра срока службы

По данной эпюре видно, что точки материала конструкции имеют разный срок службы в диапазоне 20000-1000000 циклов. В нашем случае необходимо обеспечить 20000 кратную работу пружины. Так как минимальное значение по расчетам равно 21151, то конструкция работает с 0,5-процентным запасом. Таким образом, можно сказать, что конструкция плоской пружины работоспособна.

Следующая эпюра, которую необходимо рассмотреть – эпюра повреждения (см. рисунок 19).

Рисунок 19. Эпюра повреждения

Результаты степени повреждения свидетельствуют, что заданное событие использует около 427 % срока службы модели.

В результате проведенного имитационного моделирования в части нелинейного анализа и усталостной прочности плоских пружин была подобрана оптимальная толщина материала пружины, рассчитан и подтвержден минимальный ресурс долговечности.

Предложенная методика расчета может быть распространена на любые пружинные конструкции, которые необходимо оптимизировать по усталостной прочности и долговечности

Список литературы:

1. SOLIDWORKS SimulationHelp: официальный сайт. – URL: http://help.solidworks.com/2018/english/solidworks/cworks/idc_help_helptopics.htm (дата обращения: 24.09.2021)