Обґрунтування конструкції і моделювання фрезерного верстату з ЧПК
Автор: Яковець Віталій Васильович
Кваліфікаційний рівень: магістр
Спеціальність: Комп'ютерний інжиніринг в машинобудуванні
Інститут: Інститут механічної інженерії та транспорту
Форма навчання: денна
Навчальний рік: 2025-2026 н.р.
Мова захисту: українська
Анотація: Якість і точність механічної обробки деталей безпосередньо визначаються конструкцією та технічним рівнем фрезерного верстата з числовим програмним керуванням (ЧПК). Одними з ключових факторів, що впливають на стабільність точності та продуктивність, є жорсткість несучої системи, характеристики шпиндельного вузла, якість систем лінійних переміщень (напрямні та приводи подач), а також ефективність інструментального забезпечення (магазин і механізм автоматичної зміни інструменту). Тому розроблення та розрахункове обґрунтування конструкції фрезерного верстата з ЧПК із перевіркою на міцність і жорсткість є актуальним завданням для сучасного машинобудування. На сьогодні перспективним напрямом проєктування є застосування модульних конструктивних рішень із використанням лінійних напрямних кочення, приводів подач на базі кульковинтових пар (КГП) із сервоприводами, а також інтегрованих систем автоматичної зміни інструменту, що забезпечують високу точність позиціонування, динамічні характеристики та скорочення допоміжного часу. Оцінювання працездатності таких конструкцій доцільно виконувати із застосуванням чисельного моделювання напружено-деформованого стану методом кінцевих елементів (МКЕ), що дає змогу виявити критичні зони деформацій і концентрації напружень ще на етапі проєктування. Об’єкт дослідження: фрезерний верстат з числовим програмним керуванням. Предмет дослідження: закономірності напружено-деформованого стану та жорсткісні характеристики основних елементів конструкції фрезерного верстата з ЧПК при дії власної ваги та технологічних навантажень. Мета дослідження: розробка та розрахунково-аналітичне обґрунтування конструкції фрезерного верстата з ЧПК, а також оцінювання її міцності й жорсткості методами інженерних розрахунків та МКЕ-моделювання. У першому розділі проведено аналіз сучасних фрезерних верстатів з ЧПК та виконано їх класифікацію за розташуванням шпинделя, кількістю керованих осей і типами інструментального забезпечення. Розглянуто конструктивні особливості промислових моделей верстатів, наведено їхні основні технічні параметри й компоновочні рішення. Окремо опрацьовано типи інструментальних магазинів та механізми автоматичної зміни інструменту, що дозволило сформувати вимоги до проєктованої конструкції. У другому розділі обґрунтовано тип і основні технічні характеристики проєктованого верстата; на основі аналізу аналогів сформовано таблицю ключових параметрів. Розроблено структурну схему верстата та описано склад основних вузлів: несучу систему, робочий стіл, шпиндельний вузол, систему лінійних напрямних, приводи подач на базі КГП із сервоприводами, а також системи охолодження і змащення. Наведено вступні положення до розрахунків лінійних напрямних і приводів механізму подачі з урахуванням мас рухомих вузлів, сил різання, вимог до швидкодії та точності позиціонування. У третьому розділі виконано розрахункове дослідження несучої системи верстата методом кінцевих елементів. Створено 3D-модель, задано граничні умови та виконано дискретизацію конструкції з локальним згущенням сітки в зонах можливих концентрацій напружень. Проведено розрахунки для характерних режимів навантаження: деформації від власної ваги, деформації під час фрезерування торця в різних напрямках, а також отримано розподіли еквівалентних напружень за Мізесом. За результатами аналізу встановлено, що максимальні переміщення і напруження не перевищують допустимі значення, а прийняті конструктивні рішення забезпечують необхідний запас жорсткості та міцності для стабільної роботи верстата. У результаті магістерської роботи виконано комплексний аналіз конструкцій сучасних фрезерних верстатів з ЧПК, сформовано вимоги до проєктованого верстата та обґрунтовано вибір основних вузлів і їхніх параметрів. Здійснено розрахункову перевірку несучої системи методом МКЕ, отримано наочні поля деформацій та напружень для кількох випадків навантаження й підтверджено працездатність запропонованої конструкції з точки зору міцності та жорсткості. Отримані проектні рішення та результати досліджень вказують на їх практичну доцільність і можуть бути використані під час проєктування або модернізації фрезерних верстатів з ЧПК. Ключові слова: фрезерний верстат з ЧПК, шпиндельний вузол, лінійні напрямні, кулькогвинтова пара, автоматична зміна інструменту, МКЕ, деформації, напруження.