Stress and displacement analysis of a modern design lathe body by the finite element method (FEM)

Análisis de tensiones y desplazamientos de un cuerpo de torno de diseño moderno mediante el método de los elementos finitos (MEF)

En este estudio se utilizó el método de los elementos finitos (MEF) para el análisis de la deformación y la tensión del cuerpo de una máquina de torneado. Las decisiones finales de diseño se tomaron a partir del análisis del campo de tensiones y desplazamientos de varias versiones de diseño relacionadas con la estructura de la máquina herramienta considerada. Los resultados presentados en este trabajo serán útiles para la evaluación práctica de la resistencia estática y dinámica, así como para el diseño adecuado de máquinas herramienta utilizando el MEF.

INTRODUCCIÓN

Los cuerpos de las máquinas herramienta contemporáneas deben ser rígidos y amortiguar eficazmente las vibraciones. El hierro fundido es el material básico más utilizado en la construcción de cuerpos de máquinas herramienta debido a su alta rigidez (E = 120÷130 GPa) y coeficiente de amortiguación (β = 0,0085) [1]. La fundición en arena es el método para fabricar cuerpos de hierro fundido. Esta tecnología consume mucha energía, pero se domina bien y es fácil de automatizar. En las máquinas que requieren menos precisión el hombre utiliza cuerpos soldados. El coste de fabricación es menor para la producción de lotes pequeños (falta de modelos de fundición costosos), por lo que es necesario aplicar el recocido de alivio de tensiones. Los cuerpos soldados tienen mayor rigidez (E = 190÷210 GPa), pero menor coeficiente de amortiguación (β = 0,002) en comparación con los de fundición. Suponiendo la misma rigidez, un cuerpo soldado es dos veces más ligero que un cuerpo de fundición. Desde hace algún tiempo, los fabricantes de máquinas herramienta utilizan fundición mineral y material compuesto en la construcción de carrocerías. La fundición mineral se compone de un aglutinante (resina de metacrilato, epoxi o poliéster) y un fi ltro (arenisca, basalto, granito o gravilla de cuarzo), y tiene un alto coefi ciente de amortiguación (β = 0,02÷0,03) y unas propiedades mecánicas sufi cientes (E = 30÷50 GPa). Suponiendo la misma rigidez, el peso de un cuerpo de fundición mineral es similar al del hierro fundido. La fundición mineral se utiliza ampliamente para los cuerpos principales de las máquinas herramienta de precisión (principalmente tornos y rectificadoras). Los materiales compuestos se utilizan para los cuerpos móviles, en los que es prioritario minimizar la rigidez y el peso [2-9]. El objeto de nuestra consideración es el análisis de tensiones y desplazamientos bajo carga estática y dinámica del cuerpo del torno CTX ALPHA de diseño moderno fabricado en hierro fundido. Teniendo en cuenta la complejidad de la forma geométrica del cuerpo del torno, se utilizó el método de los elementos finitos como herramienta básica en el análisis.  El objetivo principal era evaluar la posibilidad de reducir el peso corporal mediante la disminución del grosor de la pared interna.