ПРОЕКТИРОВАНИЕ  МЕХАНИЗМА  ПОВОРОТА  ИЗДЕЛИЯ  В  ДЕРЕВООБРАБАТЫВАЮЩЕМ  СТАНКЕ  С  ЧПУ

Ведрова  Софья  Александровна

студент,  кафедра  КТОМП,  Механико-Технологический  факультет,  Политехнический  институт  СФУ,  г.  Красноярск

E-mail:  svedrova@gmail.com

Лимаренко  Герольд  Николаевич

научный  руководитель:  д-р  техн.  наук,  доцент,  кафедра  КТОМП,  Механико-Технологический  факультет,  Политехнический  институт  СФУ  г.  Красноярск

В  статье  приводится  краткий  обзор  фрезерных  станков  с  механизмами  поворота  обрабатываемого  изделия,  рассмотрены  требования  к  механизму  поворота  изделия  в  деревообрабатывающем  станке  с  ЧПУ,  предназначенного  для  обработки  шаблонов  сборных  конструкций  беспилотного  летательного  аппарата.  В  качестве  определяющего  параметра  механизма  поворота  изделия,  влияющего  на  точность  обработки,  принята  жесткость  системы  СПИД  (станок-приспособление-инструмент-деталь)  модернизируемого  станка.  Рассмотрены  установленные  стандартами  нормы  жесткости  в  металлообрабатывающем  и  деревообрабатывающем  оборудовании.  Приведена  упрощенная  динамическая  модель  системы  поворота  изделия  в  модернизируемом  станке.

Введение

Создание  легких  беспилотных  летательных  аппаратов  (БЛА)  связано  с  изготовлением  деревянных  технологических  шаблонов  для  основных  элементов  конструкций  БЛА.  Общий  вид  одного  из  таких  шаблонов  —  для  фюзеляжа  БЛА  с  размерами:  1790х600х270  мм,  приведен  на  рисунке  1.  Допустимые  отклонения  геометрических  размеров  изготовленного  шаблона  от  расчетных  —  не  более  0,4  мм.

Рисунок  1.  Шаблон  фюзеляжа  БЛА

В  ходе  работ  по  созданию  БЛА  в  СФУ  для  обработки  шаблонов  был  создан  деревообрабатывающий  станок  с  ЧПУ.  В  станке  реализованы  3  программно  управляемых  координаты  (X,  Y,  Z).  Станок  представляет  собой  рамную  конструкцию  (Рисунок  2).  Рабочий  орган  —  мотор-шпиндель  установлен  на  консоли  ползуна  (ось  Z),  который  перемещается  с  помощью  шарико  винтовой  передачи  на  направляющих  качения  вдоль  (ось  X)  и  поперек  (ось  Y)  основания  станка.  Размеры  рабочего  пространства  станка  с  ЧПУ  2500х1300х850  мм.

Рисунок  2.  Деревообрабатывающий  станок

На  ползуне  станка  установлен  мотор-шпиндель  мощностью  1,5  кВт  с  максимальной  частотой  вращения  12000  мин^-1.  Деревянные  шаблоны  обрабатываются  по  программе  с  приводами  от  шариковых  передач  винт-гайка  качения  и  шаговых  двигателей  твердосплавными  концевыми  фрезами  диаметром  6  мм.  Максимальные  скорости  перемещения  рабочего  органа  по  координатам  —  5000  мм/мин.

Повышение  аэродинамического  качества  и  других  летных  характеристик  БЛА  требует  усложнения  геометрии  элементов  его  конструкции,  и,  следовательно,  для  обработки  шаблонов  —  оборудование  с  большим  числом  осей  координат  обработки.  Для  этого  необходимо  модернизировать  станок  путем  оснащения  его  механизмом  поворота  изделия  вокруг  продольной  оси,  а  также  двухкоординатной  угловой  фрезерной  головкой,  устанавливаемой  на  ползун.

О  механизме  поворота  изделия

Анализ  существующих  конструкций  станков  с  механизмами  поворота  изделий  вокруг  продольной  оси  показал,  что  в  большинстве  случаев  изделие  на  станке  одним  концом  устанавливается  и  закрепляется  в  кулачковом  патроне,  а  другой  конец  изделия  поджимается  вращающимся  центром.  Один  из  таких  станков  приведен  на  рис.3

Рисунок  3.  Станок  с  механизмом  поворота  изделия

Некоторые  характеристики  существующих  станков  приведены  в  таблице  1.

Таблица  1. 

Характеристики  станков  и  обрабатываемых  изделий

Так  как  представленные  модели  не  отвечают  требуемым  размерам  заготовки  было  составлено  техническое  задание  на  разработку  конструкции  механизма  поворота  изделия,  устанавливаемого  на  основании  станка  по  рис.2.  В  техническом  задании  установлены  следующие  требуемые  характеристики:

·     скорость  поворота  изделия  7,5  мин^-1  (максимально);

·     дискретность  поворота  изделия  0,6  угл.минуты;

·     масса  обрабатываемого  изделия  с  оснасткой  100  кг;  не  более;

·     длины  обрабатываемых  изделий  с  оснасткой  500—2500  мм;

·     оснастка  изделия  должна  крепиться  в  трехкулачковом  патроне;

·     задний  вращающийся  центр  должен  переустанавливаться  по  длине  изделия;

·     отклонение  от  соосности  патрона  и  вращающегося  центра  не  более  0,1  мм.

К  механизму  поворота  изделия  предъявляются  высокие  требования  к  его  динамическим  характеристикам:  собственная  поворотная  и  поступательная  частота  колебаний  изделия  должна  быть  не  менее  50  Гц,  а  амплитуда  колебаний  в  зоне  обработки  —  не  более  0,05  мм.

Известно,  что  в  качестве  главного  параметра  динамической  системы  станка  выступает  жесткость  упругой  системы  СПИД:  станок-приспособление-инструмент-деталь.  Жесткость  системы  определяет  виброактивность  и  виброустойчивость  станка.  В  общем  случае  жесткость  —  это  отношение  силы  резания  к  упругому  перемещению  в  направлении  этой  силы.  Под  коэффициентом  жесткости  понимается  отношение: 

 k=F/y,

где:  F  —  действующая  сила, 

y  —  упругое  перемещение. 

Упругое  перемещение  в  системе  обусловлено  деформацией  звеньев  конструкции,  контактными  деформациями  в  стыках  и  силами  трения.  Собственная  жесткость  деталей  и  жесткость  стыков  определяется  экспериментально  или  расчетом.  И  силовые  смещения  и  жесткость  используют  для  оценки  точности.  Но  в  первом  случае  точность  определяют  с  учетом  упругих  и  неупругих  свойств  системы,  то  во  втором  случае  —  только  с  учетом  упругих  свойств  [1]. 

Для  обеспечения  требуемого  качества  обработки  изделий  расчетно-экспериментальным  путем  были  разработаны  стандарты  на  нормы  жесткости  станков  [9,  8]. 

В  табл.  2  представлены  нормы  жесткости,  установленные  в  стандартах  на  различные  модели  металлорежущих  и  деревообрабатывающих  станков. 

Таблица  2. 

Нормы  жесткости  станков

Из  данных  таблицы  2  следует,  что  нормы  жесткости,  устанавливаемые  для  металлорежущих  станков,  выше  норм  для  деревообрабатывающих  станков  в  5—25  раз.  Лишь  для  плоскошлифовальных  станков  они  отличаются  в  2—3,5  раза.  Такое  отличие  объясняется  различием  характеристик  прочности  обрабатываемых  материалов:  на  металлорежущих  станках  обрабатывается  сталь  с  МПа,  а  прочность  древесины  лежат  в  пределах  МПа  для  сосны,  МПа  для  лиственницы  и  МПа  для  березы.

На  динамику  системы  станка  влияют  массово-инерционные  и  упругие  характеристики  его  суппортной  и  шпиндельной  групп  и  динамическая  характеристика  процесса  резания  [7].

Для  нашего  случая  —  деревообработки  изделия  на  модернизируемом  станке  с  установочным  поворотом  заготовки  параллельно  продольной  оси  станка,  упрощенная  динамическая  модель  может  быть  представлена  в  виде  системы,  изображенной  на  рис.4.

Рисунок  4.  Динамическая  модель  фрезерной  обработки  шаблона

В  системе  взаимодействуют  две  подсистемы,  каждая  представленная  двумя  координатами:  подсистема  обрабатываемого  изделия  и  подсистема  инструментального  шпинделя.  Обе  подсистемы  нагружены  усилием  резания  Р.

В  подсистеме  изделия  учитываются  масса  и  момент  инерции  заготовки,  радиальная  жесткость  опор  механизма  вращения  заготовки  и  крутильная  жесткость  системы  привода  вращения  заготовки.

В  подсистеме  инструментального  шпинделя  рассматриваются  приведенные  масса  и  момент  инерции  ползуна  и  мотор-шпинделя  (координата  Z  станка),  жесткость  направляющих  и  механизма  перемещения  ползуна  по  оси  Y  станка,  поворотная  жесткость  направляющих  ползуна.

Сила  резания  определяется  характеристиками  материала  заготовки  и  режимами  ее  обработки.

Заключение

На  основе  выполненного  обзора  фрезерных  станков  с  механизмами  поворота  обрабатываемого  изделия  и  стандартов  на  нормы  их  жесткости,  рассмотрены  требования  к  механизму  поворота  изделия  в  деревообрабатывающем  станке  с  ЧПУ,  предназначенного  для  обработки  шаблонов  сборных  конструкций  беспилотного  летательного  аппарата.  Разработана  упрощенная  динамическая  модель  системы  поворота  изделия  в  модернизируемом  станке. 

В  настоящее  время  введется  разработка  конструкции  механизма  поворота  изделия.  В  дальнейшем  планируется  расчет  динамических  характеристик  механизма  поворота  изделия  и  оптимизация  его  упругих  параметров. 

Список  литературы:

1.Вотинов  К.В.  Жесткость  станков  Л.:  Лонитомаш,  1940.

2.ГОСТ  9726-89  Станки  фрезерные  вертикальные  с  крестовым  столом.  Терминология.  Основные  размеры.  Нормы  точности  и  жесткости.  Введ.  впервые;  дата  введ.  01.01.1991.  М.:  Издательство  стандартов,  1991.  42  с.

3.ГОСТ  17734-88  Станки  фрезерные  консольные.  Нормы  точности  и  жесткости.  Введ.  впервые;  дата  введ.  01.01.1990.  М.:  Издательство  стандартов,  1990.  32  с.

4.ГОСТ  273-90  Станки  плоскошлифовальные  с  крестовым  столом  и  горизонтальным  шпинделем.  Основные  размеры.  Нормы  точности  и  жесткости.  Введ.  впервые;  дата  введ.  01.07.1991.  М.:  Издательство  стандартов,  1991.  20  с.

5.ГОСТ  26-75  Станки  долбежные.  Нормы  точности  и  жесткости.  Введ.  впервые;  дата  введ.  01.01.1977.  М.:  Издательство  стандартов,  1977.  15  с.

6.ГОСТ  69-75  Деревообрабатывающее  оборудование.  Станки  фрезерные  с  нижним  расположением  шпинделя.  Нормы  точности  и  жесткости.  Введ.  впервые;  дата  введ.  01.07.1976.  М.:  Издательство  стандартов,  1976.  15  с.

7.Кудинов  В.А.  Динамика  станков  В.А.  Кудинов  машиностроение  Москва  1967  358  с.

8.Подураев  В.Н.  Автоматически  регулируемые  и  комбинированные  процессы  резания  Машиностроение  Москва  1977  302  с.

9.Чернянский  П.М.  Основы  проектирования  точных  станков  Кнорус  Москва  2012-12-13  239  с.