НЕЛИНЕЙНЫЙ АНАЛИЗ УСТАЛОСТНОЙ ПРОЧНОСТИ ЦАНГИ МЕХАНИЗМА ЗАКРЕПЛЕНИЯ ИЗДЕЛИЙ

NONLINEAR ANALYSIS OF THE FATIGUE STRENGTH OF THE COLLET OF THE CLAMPING MECHANISM

Svetlana Moldovanova

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

Russia, Arzamas

Platonov Alexander Vasilievich

Scientific advisor, candidate of technical sciences, associate professor, Department of Mechanical Engineering Technology, Arzamas Polytechnic Institute (branch) of the Nizhny Novgorod State Technical University named after R.E. Alekseeva,

Russia, Arzamas

АННОТАЦИЯ

Данная статья посвящена методике проведения прочностного нелинейного расчета цанги механизма закрепления изделий с использованием программного обеспечения SolidSimulation. Так же в данной статье рассматривается общая методика выполнения расчета усталостной прочности цангового механизма.

ABSTRACT

This article is devoted to the method of carrying out a nonlinear strength calculation of the collet of the mechanism for fastening products using the SolidSimulation software. Also in this article, a general methodology for calculating the fatigue strength of a collet mechanism is considered.

Ключевые слова: SolidSimulation, нелинейный анализ, анализ усталостной прочности, цанга, механизм закрепления изделий.

Keywords: SolidSimulation, non-linear analysis, fatigue analysis, collet, clamping mechanism.

При проектировании переналаживаемого механизма закрепления изделий перед инженером-конструктором была поставлена задача расчета цангового механизма [3], входящего в состав разрабатываемого узла.

Цанговый механизм предназначен для быстрого закрепления вала контролируемого изделия в установке с помощью цанги [2](см. рисунок 1).

Рисунок 1. Цанга зажимного механизма

Было принято решение выполнить нелинейный анализ цанги, которая установлена во вращающейся части установки (см. рисунок 1).

Рисунок 1. Модель для расчета

Муфта цанговая и часть подвижная испытывают разжимающее действие пружины, которая оказывает усилие 3,81 Н в контрольной точке.

При проведении исследования в программе SolidWorks [1] первоначально необходимо задать материал деталей, которые входят в исследуемую сборочную единицу (см. рисунок 2).

Рисунок 2. Материал деталей

Следующим шагом необходимо задать способ закрепления сборочной единицы в пространстве. В нашем случае выступ цанговой муфты является жестко закрепленным (см. рисунок 3).

Рисунок 3. Зафиксированная геометрия

Далее необходимо задать силу пружинного давления (на контрольной высоте 28 мм), равную 3,81Н (см. рисунок 4).

Рисунок 4. Внешняя сила, действующая на объект

На лыски части подвижной необходимо наложить ограничение «Ролик-ползун», который обеспечит равномерное перемещение подвижной части вертикально вверх – вдоль оси цанги. Так же необходимо задать расширенное крепление – перемещение поверхности подвижной части на 6,2 мм (см. рисунок 5).

Рисунок 5.  Расширенное крепление

После задания всех параметров необходимо сконфигурировать контакт поверхностей. В нашем случае это контакт деталей часть подвижная и цанги. Поверхности данных деталей будут испытывать контакт «Нет проникновения» (см. рисунок 6).

Рисунок 6.  Контакт поверхностей «Нет проникновения»

Сетка конечных элементов объекта представлена на рисунке 7.

Рисунок 7. Сетка конечных элементов

После выполнения нелинейного анализа были получены следующие данные. Рассмотрим эпюру распределения напряжений по деталям исследуемой сборочной единицы (см. рисунок 8).

Рисунок 8. Распределение напряжений

По данной эпюру видно, что максимальные напряжения равны 532,58 МПа и возникают внутри цанги. Рассмотрим более детально напряжения в цанге (см. рисунок 9).

Рисунок 9. Напряжения в цанге

Зона возникновения – концентратор напряжения в пазу лепестка (см. рисунок 10)

Рисунок 10. Зона возникновения максимального напряжения

Рассмотрим, на какую величину сожмутся лепестки цанги от действия контактной пружины (см. рисунок 11).

Рисунок 11. Перемещения точек цанги

Временная диаграмма работы цанги представлена на рисунке 12.

Рисунок 12. Временная диаграмма сжатия лепестков цанги

Вывод: в результате выполнения нелинейного анализа было выявлено, что величина разжимающей вилы контактной пружины не приведет к разрушению материала цанги, так как напряжения 532,58МПа не превышают предела текучести материала БрБ2 ГОСТ 15835-2013 (предел прочности равен 880 МПа). Возникающая деформация лепестка равная 0,243 мм будет достаточной для выборки зазора в посадке соединения отверстия цанги и вала контролируемого изделия.

Оценка долговечности конструкции цанги производилась с использованием исследования усталостной прочности в программе SolidSimulation. Исследование на долговечность будем проводить на основе нелинейного анализа, рассмотренного выше.

Первоначально необходимо задать параметры события. В нашем случае это 20000 циклов полностью реверсивного разжатия-сжатия лепестков цанги на основе 13 шага нелинейного анализа (см. рисунок 13).

Рисунок 13. Параметры события

В результате вычисления были получены следующие данные. Минимальное число циклов, которое способно выдержать исследуемое изделие равно 17372 (см. рисунок 14).

Рисунок 14.  Диаграмма циклов

Необходимо отметить, что объем точек, который способен выдержать минимальное число циклов – ничтожно мал (см. рисунок 15).

Рисунок 15. Объем детали цанга с минимальным числом циклов

Можно с уверенностью сказать, что предлагаемая конструкция цанги – работоспособна.

Вывод: вышеуказанная методика проведения расчета усталостной прочности на основе нелинейного анализа прочности в программном обеспечении SolidWorks может быть масштабируема на любые зажимные механизмы. которые содержат в составе цанги и иные упругие зажимные элементы.

Список литературы:

1. SOLIDWORKS SimulationHelp: официальный сайт. – URL: http://help.solidworks.com/2018/english/solidworks/cworks/idc_help_helptopics.htm (дата обращения: 21.01.2022)
2. Быков В.В. Исследовательское проектирование в машиностроении: Учебное пособие/В.В. быков, В.П. Быков. - М.:Машиностроение, 2011. - 256 с
3. Сибиркин, М.Ю. Современное металлообрабатывающее оборудование: справочник / М.Ю. Сибиркин. – М.:Машиностроение, 2013. – 308 с.