Подбор материалов для изготовления шпинделя фрезерного станка при помощи программы Ansys

Достоинство систем анализа с конечными элементами является то, что благодаря ним нет необходимости изготавливать из заданных материалов объект проектирования и проводить испытания изделия [1]. Достаточно сформировать 3д модель изделия, задать необходимые параметры разбиения модели на конечные элементы и приложить нагрузки. Результаты расчета дают наглядное представление о работоспособности проектируемого изделия.

В программе ANSYS Workbanch свойства материалов описываются во вкладке Engineering Data [2] (рис. 1). Для материа-

ла 50 значение предела текучести на растяжение 530 МПа, на сжатие – 530 МПа, предела прочности на растяжение 760 МПа, на сжатие – 760 МПа, модуль Юнга 216000 Мпа [3]. Для материала 50Х значение предела текучести на растяжение 640 МПа, на сжатие – 640 МПа, предела прочности на растяжение 785 МПа, на сжатие – 785 МПа, модуль Юнга 226000 Мпа. Для материала 12ХН3А значение предела текучести на растяжение 680 МПа, на сжатие – 680 МПа, предела прочности на растяжение 960 МПа, на сжатие – 960 МПа, модуль Юнга 231000 МПа.

Рис. 1. Физико-механические свойства стали 50

После приложения всех необходимых нагрузок, а также назначения опор (рис. 2) рассчитывается несколько вариантов

шпинделей из разных материалов [4]. На рисунке 3 представлено поле распределения деформации зеркала шпинделя.

Рис. 2. Нагрузки, действующие на шпиндель

Рис. 3. Поле распределения деформации зеркала шпинделя из стали 50.

Результаты расчета всех вариантов представлены в таблицах 1 и 2.

По результатам расчета видно, что из представленных вариантов все материалы проходят по требованию к коэффициенту запаса усталостной прочности (равно или более 1) и статической прочности (равно или более 1), также во всех случаях обеспечивается требование по деформации переднего конца шпинделя (не более 5 мкм) [5]. Диапазон работы шпинделя от 56 до 9000 об/мин. Исходя из значений

собственных частот можно сделать вывод, что шпиндель не будет работать в резонансе.

Материал сталь 50 обеспечивает необходимые параметры и при этом имеет наименьшее количество легирующих элементов, что делает его наиболее дешевым вариантом, корме того, отсутствие легирующих элементов упрощает процесс механической обработки шпинделя.

Таблица 1. Результаты прочностных расчетов шпинделя фрезерного станка из разных материалов

Таблица 2. Результаты расчета собственных частот при действии тепловых нагрузок, Гц