Improving the Technical Characteristics of Machining Center at the Design Stage

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. The development of optimal technical characteristics of machine-tools at the design stage is a long-range objective of the machine-tool industry. To solve this problem, a technology for designing basic details of heavy machining center with using of the finite element method and optimization methods are proposed. The design procedure includes: 1) calculation of the system carriers with basic details of simple geometry (rod, plate, shell), 2) calculation of the base part to determine the required geometry of its cross section, 3) dynamic analysis of the machine-tool as a whole. The purpose of this work is to present the main results of the design of the system carriers of the heavy machining center of a drilling, milling and boring group. Results and discussion. At the design stage of the system carriers, the adequate overall dimensions of the base parts and the boundary conditions (force and deformation) in the areas of its contact are determined. At the second stage, a separate basic part of the actual layout is explored using the column as an example with the selection of a small fragment in the contact zone of the column and the spindle head. It is shown that the calculated field of displacements of the nodes of the column fragment is adequate to the field of displacements of the corresponding nodes of the column, obtained by calculating it as part of the system carriers. As a result of the optimization, the torsional stiffness of the column is increased by 48%. To study the dynamics of the machine, a dynamic model is built and comparative calculations with forced oscillations of the machine is carried out. For a machine with optimal base parts, there is a reduction in compliance by 30% in the direction of the greatest component of the cutting force and a decrease in mass by 17% in comparison with the serial version.

About the authors

V. G. Atapin

Email: atapin.49@mail.ru
D.Sc. (Engineering), Professor, Novosibirsk State Technical University, 20 Prospekt K. Marksa, Novosibirsk, 630073, Russian Federation, atapin.49@mail.ru

References

  1. Lull B. Statische und dynamische berechnung von werkzeugmaschinengestellen // Maschinenbautechnik. – 1977. – Vol. 26, N 1. – P. 10–13.
  2. Roscher A. Berechnung der dynamischen eigenschaften von werkzeugmaschinengestellen mit hilfe der methode der finiten elemente // Maschinenbautechnik. – 1978. – Vol. 27, N 4. – P. 156–160.
  3. Kameswara Rao N.S.V. Foundation design: theory and practice. – Singapore: John Wiley & Sons (Asia) Pte Ltd., 2011. – 544 p. – ISBN 978-0-470-82534-1.
  4. Bhatia K.G. Foundations for industrial machines and earthquake effects // ISET Journal of Earthquake Technology. – 2008. – Vol. 45, N 1–2. – P. 13–29.
  5. Haug E.J., Choi K.K., Komkov V. Design sensitivity analysis of structural systems. – Orlando, Florida: Academic Press, 1986. – 381 p. – (Mathematics in Science and Engineering; vol. 177).
  6. Rao S.S., Grandhi R.V. Optimum design of radial drilling machine structure to satisfy static rigidity and natural frequency requirements // Journal of Mechanical Design. – 1983. – Vol. 105, iss. 2. – P. 236–241. – doi: 10.1115/1.3258515.
  7. Reddy C.P., Rao S.S. Automated optimum design of machine-tool structures for static rigidity, natural frequencies and regenerative chatter stability // Journal of Manufacturing Science and Engineering. – 1978. – Vol. 100, iss. 2. – P. 137–146. – doi: 10.1115/1.3439401.
  8. Yoshimura M., Takeuchi Y., Hitomi K. Design optimization of machine-tool structures considering manufacturing cost, accuracy and productivity // Journal of Mechanical Design. – 1984. – Vol. 106, iss. 4. – P. 531–537. – doi: 10.1115/1.3258606.
  9. Atapin V.V., Kurlaev N.V. Rational design of the column of a heavy multipurpose machining center // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2016. – Vol. 126. – P. 012012. – doi: 10.1088/1757-899X/126/1/ 012012.
  10. Atapin V.G., Bataev A.A. Pallet optimization of the heavy rotary table load carrying system // IOP Conference Series: Materials Science and Engineering. – 2016. – Vol. 126. – P.012011. – doi: 10.1088/1757-899X/126/1/012011.
  11. Атапин В.Г. Расчетное проектирование несущих конструкций тяжелых многоцелевых станков // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). – 2011. – № 3 (52). – С. 27–34.
  12. Гжиров Р.И. Краткий справочник конструктора. – Л.: Машиностроение, 1983. – 464 с.
  13. Дёмкин Н.Б. Контактирование шероховатых поверхностей. – М.: Наука, 1970. – 227 с.
  14. Левина З.М., Решетов Д.Н. Контактная жесткость машин. – М.: Машиностроение, 1971. – 264 с.
  15. Lawrence K.L. ANSYS Workbench Tutorial Release 11. – Schroff Development Corporation, 2007. – 236 p.
  16. Ravindran A., Ragsdell K.M., Reklaitis G.V. Engineering optimization: methods and applications. – 2nd ed. – New Jersey: John Wiley & Sons, 2006. – 688 p. – ISBN-10 0-471-55814-1. – ISBN-13 978-0-471-55814-9.
  17. Bunday B.D. Basic optimization methods. – London: Edward Arnold Publ., 1984. – 136 p. – ISBN-13 978-0-713-13506-0. – ISBN 0-713-13506-9.
  18. Каминская В.В. Основные направления развития расчетов несущих систем станков // Автоматизация проектирования и технологической подготовки производства в станкостроении. – М.: ЭНИМС, 1985. – С. 54–63.
  19. Каминская В.В., Кушнир Э.Ф. Автоматизированный расчет несущих систем металлорежущих станков. – М.: ЭНИМС, 1990. – 59 с.
  20. Кудинов В.А. Динамика станков. – М.: Машиностроение, 1967. – 359 с.

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML


Creative Commons License
This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».