Theoretical study of influence of prestressed reinforcing elements on stiffness and damping of composite portal structures for metal-cutting small-sized machine tools

封面

如何引用文章

全文:

详细

Background. In this paper, the authors numerically evaluate the effectiveness of the previously stated technical solution to increase the rigidity of one of the basic units of a small-size milling machine - the gantry. Materials and methods. The investigated portal has dimensions 90x300x450mm and is a molded composite structure with studs in its columns as reinforcing elements. The studs embedded in the composite matrix are in a state of elastic axial tension. The calculations were carried out using finite element modeling method. To investigate the effect of stud preload on the stiffness of the structure, a series of static calculations have been carried out, where the preload value is varied. Results. The simulation results show that the use of preloaded elastically preloaded stud reinforcement results in stiffness gains ranging from tens of percent to 4,7 times, in the longitudinal direction (X axis of the machine) and up to 47% increase in the damping capacity of the structure. It is demonstrated that the increase in rigidity is nonlinearly related to the generated axial force of elastic tension of the studs and can vary in a wide range, which allows approaching and even surpassing the rigidity index of more massive and several times more metal-intensive portal structures of small-sized machines. The obtained increases in rigidity are explained by the authors as a consequence of creating a stressed connection of the portal with the bed, which provides an increase in the friction force and the force of pressing the portal to the base of the machine. The dependence of the portal rigidity on the tension of the studs is revealed and graphically shown, and the function of the dependence of deformations on the tension in analytical form is obtained. Conclusions. The proposed technical solution is promising for the small-sized machine tool industry and allows creating machine units with increased rigidity, damping and reduced metal consumption.

作者简介

Roman Voronov

Togliatti State University

编辑信件的主要联系方式.
Email: smr.rom@yandex.ru

Lecturer of the sub-department of equipment and technologies of machine-building production

(14 Belorusskaya street, Togliatti, Russia)

Ivan Semdyanov

Togliatti State University

Email: semdyanov.i.n@yandex.ru

Engineer, SRD-4 “Oxide layers, coatings and films”

(14 Belorusskaya street, Togliatti, Russia)

Denis Levashkin

Togliatti State University

Email: denis.levden@yandex.ru

Candidate of engineering sciences, associate professor, associate professor of the sub-department of equipment and technologies for mechanical engineering production

(14 Belorusskaya street, Togliatti, Russia)

Dmitry Voronov

Togliatti State University

Email: dmitridmitrie@yandex.ru

Candidate of engineering sciences, associate professor, associate professor of the sub-department of equipment and technologies for mechanical engineering production

(14 Belorusskaya street, Togliatti, Russia)

参考

  1. Khusainov R.M., Mubarakshin I.I., Sabirov A.R. Study of elastic deformations during machining on vertical milling machines. Nauchno-tekhnicheskiy vestnik Povolzh'ya = Scientific and Technical Bulletin of the Volga Region. 2015;(5):304‒308. S. 304. (In Russ.)
  2. Kapaev K.S., Vaniev E.R., Vasil'ev A.V. Modernization of the 1a616 turret lathe to increase the rigidity of the supporting system by conducting a todal analysis. Vestnik sovremennykh tekhnologiy = Bulletin of Modern Technologies. 2024;(2):25. (In Russ.)
  3. Starovoytov N.A., Rogov S.V. Study of the amplitude-phase-frequency characteristics of an abrasive cutting machine with an oscillating spindle head. Vestnik Brestskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta = Bulletin of Brest State Technical University. 2024;(1):116‒119. (In Russ.)
  4. Dovnar S.S., Kolesnikov L.A., Yatskevich O.K., Avsievich A.M., Shashko A.E. Increasing the static rigidity of the supporting system of a 5-axis CNC machine. Perspektivnye napravleniya razvitiya tekhnologii mashinostroeniya i metalloobrabotki: tezisy dokl. 36-y mezhdun. nauch.-tekhn. konf. (Minsk, 7 aprelya 2022 g.) = Promising directions of development of mechanical engineering and metalworking technologies: proceedings of the 36th International scientific and engineering conference. Minsk: Biznesofset, 2022:28–31. (In Russ.). Available at: https://rep.bntu.by/handle/data/111440
  5. Fayzimatov Sh.N., Anvarkhuzhaev T.B.U., Tazhibaev N.Z.U. Factors affecting the accuracy of lathe machining. Scientific progress. 2021;2(2):294‒296. (In Russ.)
  6. Seleznev A.D. The influence of technological system rigidity on machining accuracy. Turning. 3D-tekhnologii v reshenii nauchno-prakticheskikh zadach = 3D-technologies in solving scientific and practical problems. Krasnoyarsk, 2021:91‒95. (In Russ.)
  7. Shevelev I.V. Development of a three-axis CNC milling machine at the Formula Stanok center: Master’s thesis. Tol'yattinskiy gosudarstvennyy universitet = Togliatti State University. Tol'yatti, 2019:124. (In Russ.)
  8. Patent 2813041 C1 Russian Federation, MPK B23Q 1/01. Sposob izgotovleniya polimerbetonnogo osnovaniya stanka = Method for manufacturing a polymer concrete base for a machine. Romanov S.A.; applicant OOO «PLOT». № 2023118465; appl. 12.07.2023; publ. 06.02.2024. (In Russ.)
  9. Proizvoditel' «ASGARD» [Elektronnyy resurs] = Manufacturer “ASGARD” [Electronic resource]. (In Russ.). Available at: https://acnc.ru/sintegran/components (accessed 26.04.2025).
  10. Kirilin Yu.V. The use of polymer concrete for the production of basic components for heavy milling machines. Vestnik Ul'yanovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta = Bulletin of the Ulyanovsk State Technical University. 2008;(2):41. (In Russ.)
  11. Turomsha V.I., Dovnar S.S., Tumi El'-Mabruk Abuzhafer Ali. Rigidity analysis of the movable portal of a “Gentri” type longitudinal milling machine. Vestnik Gomel'skogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta im. P.O. Sukhogo = Bulletin of the Gomel State Technical University named after P.O. Sukhoi. 2011;(3):015‒028. (In Russ.)
  12. Vasilevich Yu.V., Dovnar S.S., Karabanyuk I.A. Finite element analysis of the effect of concrete filler on the dynamic stiffness of a heavy machine tool portal. Nauka i tekhnika = Science and technology. 2016;(3):233‒241. (In Russ.)
  13. Kucherov V.A,. Voronov R.D., Levashkin D.G. High-rigidity reinforced composite stands for small-sized CNC metal-cutting machines. Avtomatizirovannoe proektirovanie v mashinostroenii = Computer-aided design in mechanical engineering. 2024;(17):165‒168. (In Russ.)
  14. Voronov R.D., Levashkin D.G., Voronov D.Yu. Increasing the accuracy of desktop CNC machines by using loaded reinforcing elements in their frames. Mezhdunarodnyy nauchno-issledovatel'skiy zhurnal = International research journal. 2023;(3):1–12.
  15. Kravchuk V.A. Stal'nye szhato-izognutye sterzhni, predvaritel'no napryazhennye bez zatyazhek: monografiya = Steel compressed-bent rods, prestressed without ties: monograph. Khabarovsk: Izd-vo Tikhookean gos. un-ta, 2017:278. (In Russ.)
  16. Vakhrushev A.I., Aleksanyan G.A. Function approximation. Prikladnye voprosy tochnykh nauk = Applied issues of exact sciences. Armavir, 2018:35. (In Russ.)
  17. Selvakumar A., Mohanram P.V. Analysis of alternative composite material for high speed precision machine tool structures. Annals of the Faculty of Engineering Hunedoara. 2012;10(2):5.
  18. Khazov P.A., Erofeev V.I., Lotov D.M., Sitnikova A.K., Pomazov A.P. Experimental study of the strength of composite tube-concrete samples of small sections. Privolzhskiy nauchnyy zhurnal = Volga Region Scientific Journal. 2022;(3):36‒43. (In Russ.)
  19. Kudryavtsev A.A., Modestov V.S., Lukin A.V. Finite element modeling and dynamic loading study of reinforced concrete beam. Nedelya nauki SPbPU = Bulletin of Peter the Great St. Petersburg Polytechnic University. SPb., 2016:77‒80. (In Russ.)

补充文件

附件文件
动作
1. JATS XML


Creative Commons License
此作品已接受知识共享署名 4.0国际许可协议的许可

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».