Реферат по теме САПР осевого инструмента
Содержание
- Вступ
- Огляд періодики
- Основні принципи створення САПР Р
- Висновки
- Перелік літератури
Вступ
Отримання отворів з підвищеними вимогами по точності за допомогою кінцевих мірних багатолезових інструментів є вельми складним технологічним завданням. На практиці, як правило, при проектуванні технологічних процесів технологи використовують різні довідкові дані, що є вельми усередненими і такими, що не враховують особливості конкретної операції. В той же час, в цих матеріалах відсутні які-небудь дані про негативний вплив вібрацій, геометричних розмірів, способів виготовлення ріжучого інструменту на точність формоутворення отворів, хоча у ряді літературних джерел вказано на те, що вказані параметри роблять істотний вплив на різання металів як технологічний процес. В той же час розрахунок інструменту зі всіма вказаними параметрами і підбір оптимальних параметрів є складним, трудомістким завданням, які надзвичайно важко виробляти уручну. Тому все більшого поширення набувають системи автоматизованого проектування ріжучого інструменту (САПР РІ).
Огляд періодики
Однієюз важливих завдань у сфері автоматизації технологічної підготовки виробництва і проектно-конструкторських робіт є створення систем автоматизованого проектування ріжучих інструментів (САПР РІ). Її рішення у даний час знаходиться в початковій стадії, хоча в останнє десятиліття цій темі приділялася все більше уваги. Проте всі розробки носять приватний характер, оскільки базуються на поняттях, позначеннях методиках, розрахункових формулах і алгоритмах, застосовних лише для даного різновиду РІ і не можуть бути використані для інших.
У даній роботі розглядається САПР осьового РІ, як одного з найвживаніших в машинобудуванні. Отвори, наряду з тілами обертання, є одним з найпоширеніших видів поверхонь. В той же час до них може пред'являтися щонайширший діапазон вимог, як по геометричних параметрах, так і по параметрах якості обробки. Все це збільшує номенклатуру необхідного РІ, а тому широкого поширення набувають методики, що дозволяють спроектувати РІ під конкретні умови обробки. Розвиток теми автоматизованого проектування РІ взагалі і осьового РІ зокрема можна прослідити в періодиці спеціалізованих журналів за останні декілька років.
Методологічні основи САПР різних об'єктів і процесів були закладені і у великій мірі реалізовані у вітчизняній промисловості в 70—80-і рр. З середини 90их, не дивлячись на загальний економічний спад, спостерігалася інтенсивна комп'ютеризація, як досліджень, так і виробництва, а також різке розширення можливостей технічного і програмного забезпечення. Виникле протиріччя зумовило необхідність впровадження різних САПР, у тому числі САПР ріжучого інструменту. Ю.Е. Петухов [1] виділяє наступні найбільш актуальні і перспективні напрями в створенні САПР РІ: розробка і розвиток баз даних, створюючих спільно з системами управління ними банк даних; розробка модулів бази знань; розширення системного підходу на всіх рівнях САПР; використання методів математичного моделювання і оптимізації; візуалізація проектування; розробка галузевих САПР РІ. Так само в статті розглядається структура інформаційної бази САПР. Такі системи, окрім банку даних, систем пошуку і документування, включають дослідницькі модулі (ДМ), які можуть бути використані як елементи бази знань. Загальні ДМ охоплюють наступні об'єкти: інструментальні матеріали (властивості і вибір); базові елементи, вузли і синтез конструкції РІ; геометричні (кутові) параметри РІ; схеми різання; чинники, що характеризують процес формоутворення РІ і оброблюваної ним деталі. Ю.Е. Петухов розглядає основні способи реалізації підсистеми САПР, що характеризують процес формоутворення, і приводить методи рішення даної задачі. Візуалізація проектування шляхом використання графічних моделей і математичних залежностей як на стадії аналізу і досліджень, так і при здобутті остаточних результатів і робочих конструкцій полегшує роботу конструктора, робить процес проектування наочним, а у ряді випадків дає можливість швидко отримувати оптимальне рішення. Комп'ютерне моделювання різних РІ з врахуванням використовуваних в промисловості вимірювальних засобів дозволило розробити підсистему САПР РІ, що забезпечує контроль складних ріжучих кромок. Ця підсистема передбачає:
- ррозрахунок ріжучої кромки — проектний або (якщо є робоче креслення) перевірочний;
- вибір способу контролю і вимірювального приладу;
- вибір технології контролю для конкретних приладів, що є у виготівника і споживача РІ;
- розробку технології здобуття кромок при виготовленні і переточуванні РІ з врахуванням вибраного способу контролю;
- розробку способу збереження точності кромок після переточувань РІ..
У роботі [3] В. А. Гречишников, В. И. Кокарєв, розглядають можливу послідовність рішення плоскої (двовимірною) задачі розрахунку на кручення стебла свердла з прямими стружковими канавками при розбитті його поперечного перетину методом кінцевих елементів. Автори роботи відзначають, що використання ЕОМ значно скорочує трудомісткість розрахунків, дозволяє оперативно аналізувати напружений стан свердла складного перетину, порівнювати жорсткість свердел різної конструкції і оптимізувати процесс проектування.
Ю. А. Новоселов розглядає в своїй роботі [5] проблематику автоматизації проектування ріжучих інструментів. Автор робить акцент на розузгодливості методів і алгоритмів САПР залежно від вигляду проектованого РІ. Дана проблема значно ускладнюється ще і багатоваріантністю самого процесу різання. Для розробки САПР РІ, універсальної по відношенню до будь-якого можливого різновиду РІ, автор пропонує використовувати принципово новий підхід, заснований на глибоких методологічних дослідженнях процесу різання і РІ. Такі дослідження дозволять створити узагальнену абстрактно-логічну (математичну) модель процесу різання і РІ і розробити на її основі єдиний комплекс взаємозв'язаних понять, тео-рій і програм автоматизованого проектування (у тому числі і графічного зображення) будь-якого РІ. Всілякі обробки ТП різанням, використовувані на сучасних машинобудівних підприємствах, розрізняються багатьма принциповими особливостями. До них можна віднести наступні: форма і розміри деталі, що виготовляється; число, форма, розміри і взаємне розташування оброблюваних поверхонь; необхідна якість обробленої поверхні і поверхневого шару; тип і модель, компонувальні характеристики і технологічні можливості верстата: вигляд головного руху і місце його застосування; число, вигляд і місце додатка рухів подачі; параметри загальної форми РІ; спосіб і кути установки РІ на верстаті; геометричні параметри ріжучої частини РІ; режими різання і так далі Реалізація кожною з цих особливостей може забезпечуватися різними (інколи декількома) конструктивними варіантами РІ. У зв'язку з такою різноманітністю варіантів Ю. А. Новоселов проводить ідентифікацію РІ. Під ідентифікацією об'єктів мається на увазі розробка наукових основ уподібнення один одному однотипних об'єктів, що розрізняються по будь-якому числу ознак. Як модель для ідентифікації автор пропонує універсальну кінематичну модель процесу різання, приведену на схемі:
Мал. 1. Універсальна кінематична модель процесу різання (1 — різець; 2 — фреза; 3 — протягажка; заштрихована область — загальне лезо трьох РІ
При цьому передбачається, що заготівка обов'язково розташована на схемі зліва, а РІ — справа. Крім того, будь-якій РІ в такій схемі повинен займати положення, при якому його власні взаємно перпендикулярні осі (як геометричного тіла) з початком Про в даній точці ріжучої кромки були б паралельні осям X, В і Z ТСЬК, а три кути його леза (передній, кут нахилу ріжучої кромки і головний кут в плані) дорівнювали б нулю. Універсальна кінематична модель процесу різання і універсальна компонувальна схема розташування необхідних і можливих проекцій, видів і перетинів при виконанні креслень будь-яких лезвійних РІ можуть служити базою для створення єдиної системи автоматизованого проектування і викреслювання всіляких конструктивних варіантів вказаних РІ з врахуванням їх будь-яких геометричних особливостей.
Основні принципи створення САПР РІ
В останні два десятиліття все більшого поширення набувають системи автоматизованого проектування. Такі системи дозволяють значно скоротити час проектування та введення в експлуатацію найширшого спектру продукції: від архітектурних проектів до топології мікросхем. Системи САПР дозволяють вирішувати найрізноманітніші завдання і застосовуються в різних галузях. Зокрема, в машинобудуванні найбільш поширені два види САПР: системи проектування технологічних процесів і системи твердотільного моделювання. Останні дозволяють провести дослідження деталей і конструкторський аналіз вузлів і механізмів ще на стадії проектування, а також вносити виправлення під час аналізу.
На сьогоднішні розроблено декілька напрямків в системах твердотільного моделювання. Нижче перераховані найбільш поширені:
- CAD-системи - призначені для безпосереднього створення моделі.
- CAE-системі – предназначені для автоматизированного расчета детали.
- CAM-системи - призначені для автоматизованого написання керуючої програми для верстатів з ЧПУ.
Рисунок 2 – Різновиди САПР
Провідні фірми-виробники САПР випускають програмні продукти, що включають в себе перераховані вище системи, що робить їх більш привабливими для підприємств, що використовують САПР-системи при проектуванні.
В результаті кризи 2008 року на ринок металообробного обладнання надійшла велика кількість верстатів з ЧПУ, що застаріли морально, але не виробили свій ресурс. Така ситуація посприяла збільшенню кїлькості дрібних фірм, що спеціалізуються на металообробці. Специфіка таких підприємств полягає в широкій номенклатурі виробів при їх низькій серійності. Виникає необхідність в короткі терміни розробити або обрати із запропонованих конфігурацій обладнання та конструкцію інструменту. Як наслідок, в цей період виникло кілька нових, специфічних напрямів у розвитку САПР. Один з таких напрямків - САПР різального інструменту.
Рисунок 3 – Графік об'ємів випуску продукції по роках а - крупніх, б - мелких компаній-виробників
САПР різального інструменту може бути використаний у багатьох галузях машинобудування. Об'єднуючи всі вимоги до подібних САПР, можна виділити чотири основні завдання, пов'язані з проектуванням і експлуатацією ріжучого інструменту:
- Проектування нормалізованого інструменту - типова задача, що стоїть перед конструктором-інструментальником. При її вирішенні використовується широкий діапазон різних державних і галузевих стандартів.
- Вибір інструмента для заданого виробничого процесу що є в наявності - на сьогоднішній день ця проблема набуває все більшої актуальності внаслідок збільшення частки дрібносерійного виробництва в загальному обсязі машинобудування.
- Проектування спеціального інструменту - проектування інструменту, що відрізняється умовами експлуатації або геометричними параметрами (формою, розмірами). У подібному випадку так само широко використовуються різні рекомендації, однак процес вимагає творчого підходу до вибору параметрів.
- Розробка принципово нового інструменту - найбільш складне завдання, що вимагає творчого підходу, великого досвіду і знань від конструктора, а також застосування сучасних евристичних методів і великих електронних баз дани.
Методологічною базою для будь-якого з наведених випадків є поелементний принцип проектування[7]. Суть принципу полягає в тому, що інструмент розглядається, як сукупність елементів, кожен з яких виконує свою функцію.Кожен елемент може мати декілька варіантів конструктивного виконання, що дозволяє створювати конструкції, найбільш відповідні до заданих умов роботи. Крім того, метод поділяє процес проектування на кілька етапів. На початку проектування інструмент являє собою мінімум геометричних примітивів, пов'язаних таким чином, щоб найбільш точно повторювати основну форму інструменту. На кожному наступному етапі модель ускладнюється до тих пір, поки не набуде вигляд готового інструменту з усіма необхідними геометричними параметрами. Такий підхід дозволяє уніфікувати весь процес моделювання.
Другим важливим моментом у розробці САПР РІ є параметризація елементів моделі. Параметричні моделі можуть бути побудовані як у вигляді окремої програми, так і у вигляді окремої підпрограми (модуля) або навіть набору команд-макросів чи баз даних.
До переваг підпрограми, як варіантів виконання інструменту розрахунку, можна віднести такі фактори:
- Можливість використовувати досить розвинений логічний і математичний апарати - дозволяє проводити досить складні розрахунки і виконувати складні операції.
- Можливість створення інтерфейсу підпрограми, дружнього до користувача - дозволяє значно спростити освоєння і використання підпрограми.
Однак недоліком такого варіанту є те, що доводиться узгоджувати роботу модуля з роботою решти програми - тобто у разі розробки нової конструкції, прототипу якої немає в базі, робота серйозно ускладнюється необхідністю експорту-імпорту моделі або стає зовсім неможливою.
На користь варіанту використання макросів можна віднести такі фактори:
- Робота безпосередньо в CAD-програмі
- Можливість створення моделі, як елемента складнішої моделі.
- Можливість редакції команд макросу користувачем.
- Можливість використання «мережевого» принципу - принципу побудови програми, при якому програма складається не з одного загального виконавчого файлу, а з декількох спеціалізованих. Це дозволяє оновлювати безпосередньо необхідні файли-макроси, а не всю програму вцілому
- Доступність коду вихідної програми для написання програми - немає необхідності в «відкритому» коді вихідної CAD-програми.
Однак, аналізуючи принципи, що лежать в основі САПР ріжучого інструменту, можна відзначити наступне: зі збільшенням рівня деталізації моделі збільшується трудомісткість її створення і вимоги, що пред'являються до ЕОМ. Крім того, деякі геометричні параметри, властиві реальному об'єкту, неможливо відобразити на її тривимірній твердотільної моделі. До таких параметрів належать шорсткість, радіальне і торцеве биття, похибка розмірів, і т.д. При цьому проводяться розрахунки,що не завжди вимагають докладної деталізації. Враховуючи все перелічене, актуальним стає питання про визначення раціонального рівня деталізації моделі, при якому модель дасть прийнятну похибку розрахунків або зможе служити підставою для конструктивного вибору. Аналіз джерел показав, що дана тема практично не розкрита. У той же час чіткі критерії для визначення подібності моделі і реального об'єкта є важливою складовою при проектуванні твердотільних моделей різального інструменту. Для визначення таких критеріїв необхідно порівняти з реальним інструментом твердотільну модель на різних рівнях деталізації. Основою для чисельного порівняння таких моделей можуть служити розрахунки із застосуванням методу кінцевих елементів
Так як в основі САПР РІ передбачається використовувати поелементний принцип проектування, доцільним буде розбити моделювання інструменту на наступні етапи:
- один або кілька примітивів:
- примітиви описані навколо інструменту (всі частини інструменту знаходяться всередині примітиву);
- примітиви мають мінімальні габаритні розміри (при виконанні попереднього умови);
- мінімальна кількість примітивів (додатковий примітив вводиться тільки при значній різниці в розмірах);
- модель розбивається на робочу, перехідну та кріпильну частини:
- робоча частина має головний і допоміжний кути в плані (при багатоступеневому інструменті - на кожному ступені), при необхідності - конусність;
- Кріпильна частина може мати як хвостове (у вигляді хвостовика), так і насадні виконання (у вигляді втулки);
- При необхідності наносяться конусності і ексцентриситети;
- На даному етапі модель не містить шпонкових і шліцьових пазів, виточок, лисок, і т.д.;
- на модель наносяться залишки макроелементів:
- на хвостовик при необхідності наносяться пази, формується лапка, і т.д.;
- на сполучну частину наносяться необхідні пази, скруглення галтелі;
- на ріжучу частину наносяться стружкові канавки, пази, формуються передній і задній кути;
- вказуються скруглення ріжучої кромки, на основі статистичних даних моделюються відхилення форми моделі
Рисунок 4 – приклад методу поетапного проектування
цільне свердлоДані етапи містять основні риси всіх ріжучих інструментів і можуть служити основою для складання алгоритму САПР. Крім того на кожному із зазначених етапів можуть бути вирішені різні завдання, що стоять перед САПР:
1-ий етап (примітиви) - визначення габаритних розмірів інструменту, динамічний розрахунок системи «інструмент - допоміжний інструмент» або «інструмент - верстат»
2-ий етап - визначення жорсткості інструмента, попередні розрахунки на міцність.
3-ій етап - перевірочні розрахунки на міцність, визначення геометричних параметрів моделі.
4-ий етап - розрахунки на міцність високої точності, температурний розрахунок, створення керуючої програми для ЧПК.
Рисунок 5 – приклад методу поетапного проектування
свердло зі імеіними твердосплавніми пластинами'ВИСНОВОК
В сучасному машинобудуванні все більшу роль починають відігравати різноманітні САПР-системи. З їх допомогою період розвитку проекту від первісних ескізів до готових виробів скорочується до декількох днів або навіть годин. Важливу роль в цьому процесі відіграє підготовка виробництва, а саме: вибір обладнання, призначення режимів різання, визначення черговості обробки поверхонь, вибір інструменту. Останнє з перерахованих є достатньо багатогранним завданням, порівняним за складністю з вибором конструкції самої деталі, що виготовляється. Зокрема, вибір інструменту може включати в себе різні розрахунки на міцність, температурний розрахунок, динамічний розрахунок і багато іншого. Виробляти всі ці розрахунки вручну було б дуже складно, тому широке поширення набувають САПР ріжучого інструменту, які дозволяють провести всі розрахунки з використанням ЕОМ. Базою для таких розрахунків можуть служити стандартні методики, доопрацьовані з урахуванням використання їх на ЕОМ для твердотільного моделювання різального інструменту.
Важливим завданням для розвитку САПР є вироблення критеріїв подібності моделі і реального інструменту. Для вирішення цього завдання необхідні програмні інструменти, що дозволяють чисельно порівняти рівні деталізації моделей і визначити оптимальний. Для створення таких інструментів найбільше підходять такі методики: поелементне проектування, метод кінцевих елементів, параметрична побудова твердотільних моделей інструмента. Крім того, наведені методики і підходи можуть бути використані і для створення робочих версій САПР РІ.
Перелік літератури
- 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.