Методика проектирования и изготовления сборных осевых инструментов на основе математического моделирования

Автор научной работы: Сорокина, Оксана Сергеевна

Актуальность работы

Интенсивное развитие техники и технологии в конце XX века, быстрая смена номенклатуры изделий, появление станков с ЧПУ и ГАП, создание новых конструкционных и инструментальных материалов приводит к необходимости совершенствования конструкций металлорежущих инструментов. Высокая производительность, гибкость, быстросменность, постоянство геометрических параметров - качества отвечающие требованиям современного производства - ведут к замене составного инструмента сборным.

В связи с этим создание систем автоматизированного проектирования сборных инструментов является одной из актуальных проблем инструментального производства. За рубежом такие системы получили название CAD/CAM систем.

Внедрение CAD/CAM систем позволяет обеспечить: - сокращение сроков разработки конструкции инструмента;
- повышение качества изделий;
- сокращение расхода материала;
- сокращение энергетических затрат;
- объединение программ в комплекс конструирование - производство -испытания;
- объединение расчетных программ и программ с ЧПУ.

Разработка CAD/CAM систем в области металлорежущего инструмента требует высокой степени математической формализации методов проектирования и максимальной унификации решения отдельных задач проектирования.

Зарубежные фирмы «SANDVIK Coromant» «KRUPP WIDIA», «HERTEL» и др. в своих публикациях ничего не сообщают о методах машинного проектирования, объявив данную область как «ноу-хау». Отечественные источники уделяют большое внимание конкретным конструкциям инструмента, их техническим характеристикам, технологическим процессам их изготовления. Решению вопросов автоматизированного проектирования металлорежущего инструмента посвящены работы д.т.н. В.А. Гречишникова, А.Н. Борисова, И.А. Ор-динарцева, Б.И. Ящерицина, П.Р. Родина, C.B. Лукиной, к.т.н. С.и. Климакова, С.я. Хлудова, С.г. Емельянова, Е.В. Серовой, C.B. Лобановой, H.H. Щеголько-ва, М.А. Максимова, С.А. Илюхина, Е.И. Яцун. Однако в данных работах не уделяется должного внимания проектированию и изготовлению сборного осевого инструмента, которое имеет свои особенности.

Из всего вышесказанного можно сделать вывод об актуальности темы данной работы.

Данная работа, выполненная на основе общей геометрической теории образования поверхностей режущими инструментами, разработанной Лашневым С.И., посвящена автоматизации проектирования и изготовления сборных осевых инструментов на примере проектирования сборного сверла, оснащенного двумя СМП.

Цель данной работы состоит в создании методики проектирования и изготовления сборных осевых инструментов на основе математического моделирования и создания на ее основе системы автоматизированного проектирования и изготовления на базе персональных компьютеров и станков с ЧПУ.

Поставленная цель достигается благодаря комплексному подходу, учитывающему проектирование, изготовление и использование инструмента.

Научная новизна диссертации состоит в:

- выявлении общего подхода к проектированию сборного осевого инструмента;
- в развитии концепции и разработки машинно-ориентированных методов проектирования и изготовления инструментов применительно к сборным осевым инструментам;
- разработке методики проектирования и изготовления сборных осевых инструментов, позволяющих объединить в один и тот же комплекс технические и технологические закономерности;
- разработке алгоритмов для проектирования, численного моделирования работы и изготовления сборных осевых инструментов.

Методы исследования

Исследования выполнены на основе общего подхода к проектированию сборного инструмента с привлечением векторно-матричной алгебры, дифференциальной геометрии, теории преобразования афинных пространств, интерактивного поиска технических решений на основе геометрической теории формирования поверхностей режущими инструментами. Процедура проектирования и изготовления сборных осевых инструментов, оснащенных СМП оформлена в виде CAD/CAM системы для персональных компьютеров и станков с ЧПУ.

Структура работы

В первой главе проводится обоснование актуальности и эффективности использования сборных осевых инструментов, анализ существующих методов проектирования, производится постановка цели и задач работы, определен перечень теоретических вопросов которые необходимо решить при автоматизированном проектировании и изготовлении сборных осевых инструментов. Определено место сборных осевых инструментов в рамках общей геометрической теории формообразования поверхностей режущими инструментами. Разработан комплексный подход к проектированию и изготовлению сборных осевых инструментов. Выявлены фундаментальные параметры математической модели. Их логическая взаимосвязь представлена в виде формулы сборных осевых инструментов.

Во второй главе разработана математическая модель проектирования сборного осевого инструмента.

Поставленная цель достигается благодаря комплексному подходу, учитывающему проектирование, изготовление и использование инструмента. При реализации такого подхода в рамках единой системы рассматривается деталь, СМП, корпус сверла, станок и приспособление второго порядка. Математически данную взаимосвязь можно представить графом расчета сборного сверла

Взаимосвязь между деталью и проектируемым инструментом осуществляется путем перехода от профиля поверхности детали к производящей поверхности инструмента (система координат производящей поверхности сверла совпадает с системой координат детали), а затем к СМП. Исходными данными для расчета являются длина обрабатываемого отверстия и его диаметр, что позволяет определить параметры

образующей и выполнить ее дискретное представление. Затем выбирается СМП для которой рассчитываются следующие параметры дискретного представления:

- координаты точки х, у, ъ\
- угол профиля;
- радиус кривизны;
- длина дуги;
- векторы нормали к передней и задней поверхностям

Осуществляется ориентация пластины исходя из условий контакта j -ой точкой производящей поверхности и гарантированных значений трех углов -переднего, главного угла в плане и угла наклона режущей кромки - в точке контакта. Кроме того при расчете положения центральной пластины должны быть учтены конструктивные подачи вдоль образующей, направляющей и конструктивная подача сближения.

Последняя может быть рассчитана исходя из двух условий:

1) перекрытие оси инструмента на заданную величину 11;
2) перекрытие периферийной пластины центральной на заданную величину 11.

Для выполнения численного моделирования работы рассматриваются поверхности, описываемые режущими кромками в процессе движения инструмента, а также значения производных этих поверхностей : производная по длине режущей кромки, производные по параметру движения (определяющие направление векторов движений), производная по времени (характеризующая суммарный вектор скорости).

В результате моделирования процесса обработки осуществляется расчет оценочных параметров, изменения углов вдоль режущей кромки срезаемых слоев (толщины, ширины, длины) для периферийной и центральной СМП, а также параметры остаточных гребешков.

Третья глава посвящена созданию математической модели конструирования и обработке корпусов сборных осевых инструментов.

Для этого конструкция инструмента в соответствии с блочно - иерархическим принципом разбиения сложных технических систем рассматривается как совокупность определенных модулей с последующим их разукрупнением вплоть до элементарных поверхностей. Математически взаимосвязь между модулями может быть представлена графом, узлами которого служат системы координат модулей, а дугами - матрицы переходов между ними. На первом этапе конструкция сборного сверла рассматривается как сборочная единица, где рассматривается взаимосвязь между корпусом сверла, СМП и винтами. Затем корпус инструмента разбивается на рабочую, хвостовую части и систему каналов для подачи СОЖ. Каждый из этих модулей разбивается на более мелкие элементы. Такое разбиение представлено графами рабочей части, хвостовой части, системы каналов для подачи СОЖ.

В результате задания конструктивных параметров элементов и размеров, определяющих положение одного элемента относительно другого, рассчитываются матрицы установки.

Для корпуса сборного сверла в соответствии с расчетными схемами рассчитываются матрицы:

- установки хвостовой части относительно рабочей ;
- установки гнезд под СМП относительно рабочей части;
- установки скоса относительно гнезда под СМП;
- установки канавки относительно рабочей части;
- установки поверхностей, оформляющих рабочую часть относительно гнезда под СМП; а также матриц установки наклонного паза, пазов для схватов манипулятора, лыски и паза относительно рабочей части, входного и выходных каналов относительно центрального.

Положение гнезд под СМП зависит от ориентации самих пластин. Поэтому матрица установки гнезда относительно пластины является единичной, а матрица установки гнезда относительно рабочей части рассчитывается как произведение матриц в соответствии с графом конструкций.

Форма гнезд выбирается в зависти от того является ли пластина центральной или периферийной. Матрицы переходов от систем координат СМП к системе координат корпуса рассчитываются на 1 этапе проектирования исходя из длины инструмента.

Для обработки корпусов инструментов необходимо рассмотреть в одной системе корпус инструмента, станок с ЧПУ и приспособление. В результате подобного рассмотрения можно произвести расчет наладок и подготовить управляющую программу для станка с ЧПУ. Подобный подход представлен графом наладки станка на} - ой операции.

По готовым матрицам установки элементов относительно корпуса инструмента рассчитываются параметры приспособления (например делительной головки) исходя из заданных условий.

В четвертой главе рассмотрен пример работы системы автоматизированного проектирования и изготовления сборного осевого инструмента. Был проведен расчет сборного сверла с двумя пластинами для конкретных условий работы.

Исходными данными для проектирования являются параметры обрабатываемого отверстия, параметры СМП, параметры установки СМИ относительно производящей поверхности, габаритные размеры сверла и режимы резания .

В результате моделирования процесса обработки при заданных режимах резания были получены графики изменения углов и параметров срезаемых слоев вдоль режущей кромки, параметры остаточных гребешков.

Если результаты расчета не удовлетворяют конструктора исходные данные могут быть изменены, а расчет повторен.

При достижении оптимальных результатов осуществляется поэтапное проектирование корпуса. Причем результат каждого этапа можно визуально оценить по трехмерной модели .Проектирование производится в следующей последовательности:

- проектирование цилиндрической поверхности;
- проектирование хвостовой части;
- проектирование гнезд под пластины;
- проектирование скосов;
- проектирование стружечных канавок;
- проектирование поверхностей, оформляющих режущую часть;
- проектирование наклонного паза.

Параметры наладки для станков с ЧПУ рассчитываются в автоматическом режиме исходя из матриц установки для каждого из обрабатываемых элементов. Конструктивные параметры обрабатываемых элементов определяют траекторию движения инструмента 2-го порядка. Практическая ценность данной работы состоит в разработке программных средств для проектирования и изготовления сборного осевого инструмента, позволяющих на основе конструктивных даннах обрабатываемого отверстия, функциональных и технологических параметров станков, сконструировать инструмент в диалоговом режиме, смоделировать его работу и оценить результаты проектирования, а также в автоматизированном режиме подготовить управляющую программу для станков с ЧПУ Публикации.

Список литературы: