Optymalizacja topologiczna korpusów suportów obrabiarek specjalnych z uwzględnieniem sił skrawania

W artykule przedstawiono metodę optymalizacji topologicznej wybranych korpusów układu suportowego obrabiarki do kolejnictwa. Na przykładzie suwaka głównego przeprowadzono optymalizację topologiczną mającą na celu zredukowanie objętości obszarów biernych. Obliczenia numeryczne uwzględniają działanie sił skrawania, zapewniając dostateczną sztywność węzła.

Do uzyskania wydajnej, a zatem dokładnej obróbki skrawaniem wymagane jest spełnienie kilku warunków, takich jak: dostateczna sztywność UOPN (Układ Obrabiarka-Przedmiot-Narzędzie), a także odporność układu na wpadanie w rezonans, co mogłoby w konsekwencji powodować drgania [1]. Pierwszy problem można identyfikować dzięki badań sztywności
statycznej, natomiast drugi dzięki badań modalnych. Obydwa rodzaje badań można zatem zrealizować na rzeczywistych obrabiarkach, jak również na modelach 3D z pomocą metody elementów skończonych [2].

Powyższe badania mogą dostarczyć informacji nt. jakości konstrukcji obrabiarek. Nasuwa się jednak pytanie: co w przypadku, gdy analizowana konstrukcja jest przesztywniona? O ile niedostateczna sztywność lub efekt rezonansu są zjawiskami krytycznymi, których należy bezwzględnie unikać, to na ocenę konstrukcji spojrzeć można w odmienny sposób. Można znaleźć rozwiązanie optymalne, czyli dopasowane na miarę potrzeb występujących obciążeń.

Obrabiarki specjalne

Obrabiarki specjalne – w tym przypadku obrabiarki dla kolejnictwa – są produktem niszowym na rynku światowym obrabiarek. Co za tym idzie, charakteryzuje je produkcja jednostkowa lub małoseryjna. Oznacza to, iż często spotykane jest każdorazowe, indywidualne przeprojektowywanie danego typu obrabiarki pod konkretne potrzeby klienta (np. specyfiki przedmiotu obrabianego). Biorąc pod uwagę fakt, iż produkt często podlega zmianom, a przy tym terminy realizacji kontraktów są relatywnie krótkie, czas na skomplikowane analizy (np. numeryczne) jest mocno ograniczony. W produkcji jednostkowej przez cały czas bardzo często stosuje się intuicyjny styl konstruowania. Często może to prowadzić na przykład do nieuzasadnionego przesztywnienia komponentów obrabiarki. Takie podejście może wpłynąć na koszty produkcyjne, a także pogorszyć własności dynamiczne.

Pomimo wdrażania zmian wynikających z różnego przeznaczenia obrabiarek, w każdym modelu możliwe jest znalezienie kilku istotnych zespołów konstrukcyjnych, które warto wziąć pod uwagę do analiz optymalizacyjnych. W tym wypadku warto czerpać inspirację z rozwiązań stosowanych przy projektowaniu obrabiarek uniwersalnych. Jedną z modyfikacji pod kątem mechanicznym, poprzedzającą kolejny krok rozwoju produktu, tj. zmiany zgodne z koncepcją inteligentnych rozwiązań 4.0 (np. aktywna stabilność modalna, stabilizacja termiczna), może być redukcja zbędnych objętości w miejscach, w których nieprzenoszone są obciążenia podczas procesu skrawania (nie występują naprężenia, nie mają wpływu na odkształcenia).