Реферат по теме САПР осевого инструмента
Содержание
- Введение
- Обзор периодики
- Основные принципы создания САПР РИ
- Выводы
- Список источников
Введение
Получение отверстий с повышенными требованиями по точности посредством концевых мерных многолезвийных инструментов является весьма сложной технологической задачей. На практике, как правило, при проектировании технологических процессов технологи используют различные справочные данные, являющиеся весьма усредненными и не учитывающими особенности конкретной операции. Вместе с тем, в этих материалах отсутствуют какие-либо данные об отрицательном влиянии вибраций, геометрических размеров, способов изготовления режущего инструмента на точность формообразования отверстий, хотя в ряде литературных источников указано на то, что указанные параметры оказывают существенное влияние на резание металлов как технологический процесс. Вместе с тем расчет инструмента со всеми указанными параметрами и подбор оптимальных параметров является сложной, трудоемкой задачей, которые чрезвычайно трудно производить вручную. Поэтому все большее распространение получают системы автоматизированного проектирования режущего инструмента (САПР РИ).
Обзор периодики
Одной из важных задач в сфере автоматизации технологической подготовки производства и проектно-конструкторских работ является создание систем автоматизированного проектирования режущих инструментов (САПР РИ). Ее решение в настоящее время находится в начальной стадии, хотя в последнее десятилетие этой теме уделялось все больше внимания. Однако все разработки носят частный характер, так как базируются на понятиях, обозначениях, методиках, расчетных формулах и алгоритмах, применимых лишь для данной разновидности РИ и не могут быть использованы для других.
В данной работе рассматривается САПР осевого РИ, как одного из самых применяемых в машиностроении. Отверстия, наряду с телами вращения, являются одним из самых распространенных видов поверхностей. В то же время к ним может предъявляться широчайший диапазон требований, как по геометрическим параметрам, так и по параметрам качества обработки. Все это увеличивает номенклатуру необходимого РИ, а потому широкое распространение получают методики, позволяющие спроектировать РИ под конкретные условия обработки. Развитие темы автоматизированного проектирования РИ вообще и осевого РИ в частности можно проследить в периодике специализированных журналов за последние несколько лет.
Методологические основы САПР различных объектов и процессов были заложены и в большой степени реализованы в отечественной промышленности в 70—80-е гг. С середины 90ых, несмотря на общий экономический спад, наблюдалась интенсивная компьютеризация, как исследований, так и производства, а также резкое расширение возможностей технического и программного обеспечения. Возникшее противоречие обусловило необходимость внедрения различных САПР, в том числе САПР режущего инструмента. Ю.Е. Петухов [1] выделяет следующие наиболее актуальные и перспективные направления в создании САПР РИ: разработка и развитие баз данных, образующих совместно с системами управления ими банк данных; разработка модулей базы знаний; расширение системного подхода на всех уровнях САПР; использование методов математического моделирования и оптимизации; визуализация проектирования; разработка отраслевых САПР РИ. Так же в статье рассматривается структура информационной базы САПР. Такие системы, помимо банка данных, систем поиска и документирования, включают в себя исследовательские модули (ИМ), которые могут быть использованы как элементы базы знаний. Общие ИМ охватывают следующие объекты: инструментальные материалы (свойства и выбор); базовые элементы, узлы и синтез конструкции РИ; геометрические (угловые) параметры РИ; схемы резания; факторы, характеризующие процесс формообразования РИ и обрабатываемой им детали. Ю.Е. Петухов рассматривает основные способы реализации подсистемы САПР, характеризующие процесс формообразования, и приводит методы решения данной задачи. Визуализация проектирования путем использования графических моделей и математических зависимостей как на стадии анализа и исследований, так и при получении окончательных результатов и рабочих конструкций облегчает работу конструктора, делает процесс проектирования наглядным, а в ряде случаев дает возможность быстро получать оптимальное решение. Компьютерное моделирование различных РИ с учетом используемых в промышленности измерительных средств позволило разработать подсистему САПР РИ, обеспечивающую контроль сложных режущих кромок. Эта подсистема предусматривает:
- расчет режущей кромки — проектный или (если имеется рабочий чертеж) про-верочный;
- выбор способа контроля и измерительного прибора;
- выбор технологии контроля для конкретных приборов, имеющихся у изготовителя и потребителя РИ;
- разработку технологии получения кромок при изготовлении и переточке РИ с учетом выбранного способа контроля;
- разработку способа сохранения точности кромок после переточек РИ.
В работе [3] В. А. Гречишников, В. И. Кокарев, рассматривают возможную последовательность решения плоской (двумерной) задачи расчета на кручение стебля сверла с прямыми стружечными канавками при разбиении его поперечного сечения методом конечных элементов. Авторы работы отмечают, что использование ЭВМ значительно сокращает трудоемкость расчетов, позволяет оперативно анализировать напряженное состояние сверла сложного сечения, сравнивать жесткость сверл разной конструкции и оптимизировать процесс проектирования.
Ю. А. Новосёлов рассматривает в своей работе [5] проблематику автоматизации проектирования режущих инструментов. Автор делает акцент на рассогласованности методов и алгоритмов САПР в зависимости от вида проектируемого РИ. Рассматриваемая проблема значительно осложняется еще и многовариантностью самого процесса резания. Для разработки САПР РИ, универсальной по отношению к любой возможной разновидности РИ, автор предлагает использовать принципиально новый подход, основанный на глубоких методологических исследованиях процесса резания и РИ. Такие исследования позволят создать обобщенную абстрактно-логическую (математическую) модель процесса резания и РИ и разработать на ее основе единый комплекс взаимосвязанных понятий, тео-рий и программ автоматизированного проектирования (в том числе и графического изображения) любого РИ. Разнообразные ТП обработки резанием, используемые на современных машиностроительных предприятиях, различаются многими принципиальными особенностями. К ним можно отнести следующие: форма и размеры изготовляемой детали; число, форма, размеры и взаимное расположение обрабатываемых поверхностей; требуемое качество обработанной поверхности и поверхностного слоя; тип и модель, компоновочные характеристики и технологические возможности станка: вид главного движения и место его приложения; число, вид и место приложения движений подачи; параметры общей формы РИ; способ и углы установки РИ на станке; геометрические параметры режущей части РИ; режимы резания и т. д. Реализация каждой из этих особенностей может обеспечиваться различными (иногда несколькими) конструктивными вариантами РИ. В связи с таким разнообразием вариантов Ю. А. Новосёлов проводит идентификацию РИ. Под идентификацией объектов подразумевается разработка научных основ уподобления друг другу однотипных объектов, различающихся по любому числу признаков. В качестве модели для идентификации автор предлагает универсальную кинематическую модель процесса резания, приведенную на схеме
Рис. 1. Универсальная кинематическая модель процесса резания (1 — резец; 2 — фреза; 3 — протяжка; заштрихованная область — общее лезвие трех РИ)
При этом предполагается, что заготовка обязательно расположена на схеме слева, а РИ — справа. Кроме того, любой РИ в такой схеме должен занимать положение, при котором его собственные взаимно перпендикулярные оси (как геометрического тела) с началом О в рассматриваемой точке режущей кромки были бы параллельны осям X, У и Z ТСК, а три угла его лезвия (передний, угол наклона режущей кромки и главный угол в плане) были бы равны нулю. Универсальная кинематическая модель процесса резания и универсальная компоновочная схема расположения необходимых и возможных проекций, видов и сечений при выполнении чертежей любых лезвийных РИ могут служить базой для создания единой системы автоматизированного проектирования и вычерчивания разнообразных конструктивных вариантов указанных РИ с учетом их любых геометрических особенностей.
Основные принципы создания САПР РИ
В последние два десятилетие все большее распространение получают системы автоматизированного проектирования. Такие системы позволяют значительно сократить время проектирования и введения в эксплуатацию самого широкого спектра продукций: от архитектурных проектов до топологии микросхем. Системы САПР позволяют решать самые разные задачи, и применяются в самых разных отраслях. В частности, в машиностроении наиболее распространены два вида САПР: системы проектирования технологических процессов и системы твердотельного моделирования. Последние позволяют провести прочностные исследования деталей и конструкторский анализ узлов и механизмов ещё на стадии проектирования, а так же вносить исправления прямо по ходу анализа.
На сегодняшний день разработано несколько направлений в системах твердотельного моделирования. Ниже перечислены наиболее распространённые:
- CAD-системы – предназначены для непосредственного создания модели.
- CAE-системы – предназначены для автоматизированного расчета детали.
- CAM-системы – предназначены для автоматизированного написания управляющей программы для станков с ЧПУ.
Рисунок 2 - Разновидности САПР
Ведущие фирмы-производители САПР выпускают программные продукты, включающие в себя перечисленные выше системы, что делает их более привлекательными для предприятий, использующих САПР-системы при проектировании.
В результате кризиса 2008 года на рынок металлообрабатывающего оборудования поступило большое количество станков с ЧПУ, устаревших морально, но не выработавших свой ресурс. Такая ситуация поспособствовала увеличению числа мелких фирм, специализирующихся на металлообработке. Специфика таких предприятий заключается в широкой номенклатуре изделий при их низкой серийности. Возникает необходимость в короткие сроки разработать или выбрать из предложенных конфигурацию оборудования и конструкцию инструмента. Как следствие, в этот период возникло несколько новых, специфических направлений в развитии САПР. Одно из таких направлений – САПР режущего инструмента
Рисунок 3 - График обьемов выпуска продукции по годам а - крупных, б - мелких компаний-производителей
САПР режущего инструмента может быть использован во многих отраслях машиностроения. Объединяя все требования к подобным САПР можно выделить четыре основных задачи, связанных с проектированием и эксплуатацией режущего инструмента:
- Проектирование нормализованного инструмента – типичная задача, стоящая перед конструктором-инструментальщиком. При её решении используется широкий диапазон различных государственных и отраслевых стандартов.
- Выбор инструмента для заданного производственного процесса из имеющегося в наличии – на сегодняшний день эта проблема получает все большую актуальность вследствие увеличения доли мелкосерийного производства в общем объеме машиностроения.
- Проектирование специального инструмента – проектирование инструмента, отличающегося условиями эксплуатации или геометрическими параметрами (формой, размерами). В подобном случае так же широко используются различные рекомендации, однако процесс требует творческого подхода к выбору параметров.
- Разработка принципиально нового инструмента – наиболее сложная задача, требующая творческого подхода, большого опыта и знаний от конструктора, а так же применения современных эвристических методов и больших электронных баз данных.
Методологической базой для любого из приведенных случаев является поэтапный принцип проектирования. Суть принципа состоит в том, что инструмент рассматривается, как совокупность элементов, каждый из которых выполняет свою функцию. Каждый элемент может иметь несколько вариантов конструктивного исполнения, что позволяет создавать конструкции, наиболее подходящие к заданным условиям работы. Кроме того метод разделяет процесс проектирования на несколько этапов. В начале проектирования инструмент представляет собой минимум геометрических примитивов, связанных таким образом, чтобы наиболее точно повторять основную форму инструмента. На каждом следующем этапе модель усложняется до тех пор, пока не приобретет вид готового инструмента со всеми необходимыми геометрическими параметрами. Такой подход позволяет унифицировать весь процесс моделирования.
Вторым важным моментом в разработке САПР РИ является параметризация элементов модели. Параметрические модели могут быть построены как в виде отдельной программы, так и в виде отдельной подпрограммы (модуля) или даже набора команд-макросов или баз данных.
К достоинствам подпрограммы, как варианта исполнения инструмента расчета можно отнести следующие факторы:
- Возможность использовать достаточно развитый логический и математический аппараты – позволяет проводить достаточно сложные расчеты и выполнять сложные операции.
- Возможность создания интерфейса подпрограммы, дружественного к пользователю – позволяет значительно упростить освоение и использование подпрограммы.
Однако недостатком такого варианта является то, что приходится согласовывать работу модуля с работой остальной программы – то есть в случае разработки новой конструкции, прототипа которой нет в базе, работа серьезно усложняется необходимостью экспорта-импорта модели или становится вовсе невозможна.
В пользу варианта использования макросов можно отнести следующие факторы:
- Работа непосредственно в CAD-программе.
- Возможность создания модели, как элемента более сложной модели.
- Возможность редакции команд макроса пользователем.
- Возможность использования
сетевого
принципа – принципа построения программы, при котором программа состоит не из одного общего исполнительного файла, а из нескольких специализированных. Это позволяет обновлять непосредственно необходимые файлы-макросы, а не всю программу в целом. - Доступность кода исходной программы для написания приложения – нет необходимости в
открытом
коде исходной CAD-программы.
Однако, анализируя принципы, лежащие в основе САПР режущего инструмента, можно отметить следующее: с увеличением уровня детализации модели увеличивается трудоёмкость её создания и требования, предъявляемые к ЭВМ. Кроме того, некоторые геометрические параметры, присущие реальному объекту невозможно отобразить на её трёхмерной твердотельной модели. К таким параметрам относятся шероховатость, радиальное и торцевое биение, погрешность размеров, и т.д. При этом проводимые расчеты не всегда требуют подробной детализации. Учитывая всё перечисленное, актуальным становится вопрос об определении рационального уровня детализации модели, при котором модель даст приемлемую погрешность расчетов или сможет служить основанием для конструктивного выбора. Анализ источников показал, что данная тема практически не раскрыта. В то же время чёткие критерии для определения подобия модели и реального объекта являются важной составляющей при проектировании твердотельных моделей режущего инструмента. Для определения таких критериев необходимо сравнить с реальным инструментом твердотельную модель на разных уровнях детализации. Основой для численного сравнения таких моделей могут служить прочностные расчеты с применением метода конечных элементов.
Так как в основе САПР РИ предполагается использовать поэлементный принцип проектирования, целесообразным будет разбить моделирование инструмента на следующие этапы:
- один или несколько примитивов:
- примитивы описаны вокруг инструмента (все части инструмента находятся внутри примитива);
- примитивы имеют минимальные габаритные размеры (при выполнении предыдущего условия);
- минимальное количество примитивов (дополнительный примитив вводится только при значительной разнице в размерах);
- модель разбивается на рабочую, переходную и крепёжную части:
- рабочая часть имеет главный и вспомогательный углы в плане (при многоступенчатом инструменте – на каждой ступени), при необходимости – конусность;
- Крепежная часть может иметь как хвостовое (в виде хвостовика), так и насадное исполнение (в виде втулки);
- При необходимости наносятся конусности и эксцентриситеты;
- На данном этапе модель не содержит шпоночных и шлицевых пазов, выточек, лысок, и т.д.;
- на модель наносятся оставшиеся макроэлементы:
- на хвостовик при необходимости наносятся пазы, формируется лапка, и т.д.;
- на соединительную часть наносятся необходимые пазы, скругления галтели;
- на режущую часть наносятся стружечные канавки, пазы, формируются передний и задний углы;
- указываются скругления режущей кромки, на основе статистических данных моделируются отклонения формы модели.
Рисунок 4 - пример примения метода поэтапного проектирования
цельное сверлоДанные этапы содержат основные черты всех режущих инструментов и могут служить основой для составления алгоритма САПР. Кроме того на каждом из указанных этапов могут быть решены различные задачи, стоящие перед САПР:
1-ый этап (примитивы) – определение габаритных размеров инструмента, динамический расчет системы
инструмент – вспомогательный инструмент
илиинструмент – станок
.2-ой этап – определение жесткости инструмента, предварительные прочностные расчеты.
3-ий этап – проверочные прочностные расчеты, определение геометрических параметров модели.
4-ый этап – прочностные расчеты высокой точности, температурный расчет, создание управляющей программы для ЧПУ.
Рисунок 5 - пример примения метода поэтапного проектирования
сверло со сменными твердосплавными пластинамиВыводы
В современном машиностроении всё большую роль начинают играть разнообразные САПР-системы. С их помощью период развития проекта от первоначальных эскизов до готовых изделий сокращается до нескольких дней или даже часов. Важную роль в этом процессе играет подготовка производства, а именно: выбор оборудования, назначение режимов резанья, определение очередности обработки поверхностей, выбор инструмента. Последнее из перечисленных является достаточно многогранной задачей, сравнимой по сложности с выбором конструкции самой изготавливаемой детали. В частности, выбор инструмента может включать в себя различные прочностные расчеты, температурный расчет, динамический расчет и многое другое. Производить все эти расчеты вручную было бы весьма сложно, поэтому широкое распространение получают САПР режущего инструмента, которые позволяют провести все расчеты с использованием ЭВМ. Базой для таких расчетов могут служить стандартные методики, доработанные с учетом использования их на ЭВМ для твердотельного моделирования режущего инструмента.
Важной задачей для развития САПР является выработка критериев подобия модели и реального инструмента. Для решения этой задачи необходимы программные инструменты, позволяющие численно сравнить уровни детализации моделей и определить оптимальный. Для создания таких инструментов наиболее подходят следующие методики: поэлементное проектирование, метод конечных элементов, параметрическое построение твердотельных моделей инструмента. Кроме того, приведенные методики и подходы могут быть использованы и для создания рабочих версий САПР РИ.
Список источников
- Ю.Е. Петухов: Некоторые направления развития САПР режущего инструмента// СТИН. 2003. № 8.
- Г.С. Железнов: Оценка сил, действующих на фаске износа инструмента по задней поверхности// СТИН. 2003. № 6.
- В.А.Гречишников, В.И.Кокарев, Е.А.Копейкин, Н.А.Уваров, А.Ю.Цыбульский: Применение метода конечных элементов при расчете сверла на кручение// СТИН. 2001. №7.
- Н. А. Чемборисов, А. И. Фасхутдинов: Формообразование профиля винтовой канавки концевого инструмента// СТИН. 2009. № 3.
- Ю. А. Новосёлов: Проблематика автоматизации проектирования режущих инструментов// СТИН. 2008. № 9.
- С. В. Сергеев: Моделирование точности формирования отверстийпри сверлении// СТИН. 2010. №9.
- Ю. А. Кряжев, Е. С. Огневенко, Е. В. Титова: Изучение основных характеристик контактных процессов на рабочих поверхностях спирального сверла// СТИН. 2011. № 2.