Автор: Мержоева Марем Салмановна
Развитие машиностроения в новом тысячелетии должно осуществляться за счет комплексной механизации и автоматизации, использования прогрессивной технологии. В целях постоянного ускорения темпов и снижения затрат производства предусматривает развитие его в основном за счет использования станков с ЧПУ, обрабатывающих центров, гибких автоматических линий. При этом режущий инструмент является важнейшим элементом, определяющим производительность и качество.
Создание системы автоматизированного проектирования металлорежущих инструментов является одним из этапов автоматизации процессов жизненного цикла. За рубежом она известна под аббревиатурой CAD/CAM (computer-aided design/ computer-aided manufacturing). Внедрение CAD/CAM обеспечивает:
- сокращение сроков разработки конструкций инструмента;
- сокращение материальных и энергетических затрат;
- повышение эксплуатационных качеств инструмента;
- повышение уровня интеграции в цепи "проектирование - производство-испытание - эксплуатация";
- объединение расчетных и управляемых программ для станков с числовым программным управлением (ЧПУ);
- возможность формирования базы данных (БД) металлорежущих инструментов.
Ряд западных фирм "Heinleine", "Sandvik Coromant", "ISCAR", "Hertel", "Krupp Widia" и др., занимающиеся проектированием и изготовлением сборных инструментов ничего не сообщают о методах автоматизированного проектирования, объявив данную область как «ноу-хау». Отечественные производители в основном для расчета металлорежущих инструментов применяют различные приближенные графические, графоаналитические и аналитические методы, которые очень громоздки и имеют невысокую точность, а также требуют большого числа вычислений или локальных САПР, которые решают частные задачи этапов проектирования. Результаты, получаемые при использовании таких приближенных методов, не позволяют спроектировать инструмент с оптимальными значениями его параметров и ограничивают его точность, в результате снижается конкурентоспособность инструмента. С повышением требований к качеству инструментов и широким внедрением быстродействующих ЭВМ позволяет полностью автоматизировать процесс проектирования инструментов, чему в России в последнее время уделяется большое внимание. Вопросы автоматизированного проектирования инструмента рассмотрены в работах д.т.н. С.И. Лаптева, В.А. Гречишникова, Б.И. Ящерицина, А.Н. Борисова, И.А. Ординарцева, П.Р. Родина, С.В.Лукиной, С.Г. Емельянова, к.т.н. Е.И. Яцун, С .Я. Хлудова, Е.В. Серовой, С.И. Клима-кова, С.А. Илюхина, М.А. Максимова, С.В. Лобановой, В.В. Куц, О.С Сорокиной, А.А. Горохова и др. Методика проектирования и изготовления сборных зенкеров с СМП (сменными многогранными пластинами) в литературе отсутствует.
Вышеизложенное, позволяет сделать вывод об актуальности работы.
В данной работе осуществлена разработка формализованной математической модели проектирования и изготовления сборных зенкеров, оснащенных СМП.
Предмет исследования. Графоаналитическая модель сборного зенкера, оснащенного СМП, обеспечивающая общий подход к проектированию, математическому синтезу объектов, моделированию работы инструмента с целью оценки его работоспособности.
Объект исследования. Сборный зенкер с СМП для обработки отверстий деталей общемашиностроительного назначения.
Цель работы. Сокращение сроков проектирования, снижение трудоемкости технологической подготовки производства при создании конкурентоспособных сборных зенкеров, оснащенных СМП.
Научная новизна работы заключается в совокупности научно-обоснованных технических решений по обеспечению эффективности проектирования сборного зенкера с СМП, а именно в: разработке автоматизированного синтеза сборных зенкеров с СМП на основе геометрической теории формирования поверхностей режущими инструментами, включающего графоаналитическое описание технологической системы, расчет кинематических углов (передний, задний угол, угол наклона главной режущей кромки) вдоль режущей кромки, высоту и средний шаг неровностей обрабатываемой поверхности, расчет параметров технологической наладки обработки корпуса зенкера, расчет координат узлов точек эквиди-станты движения инструмента второго порядка, подготовку управляющих программ для обработки корпуса зенкера на станке с ЧПУ.
Методы исследования. Построение математической модели основано на базе фундаментальных положений теории проектирования режущих инструментов, с использованием аппарата дифференциальной геометрии и век-торно-матричного анализа, интерактивного поиска технических решений, методах математического и компьютерного программирования и средств компьютерной графики.
Практическая ценность работы заключается в создании методологического и программного обеспечения, направленного на повышение эффективности проектирования сборных зенкеров с СМП, представленных в виде:
- алгоритмов и программ для математического синтеза конструкций сборных зенкеров с СМП с использованием трехмерной модели;
- алгоритмов и программ для численного моделирования работы и оценке результатов проектирования сборного зенкера по характеру изменения кинематических углов, параметров срезаемых слоев, высоты и среднего шага неровностей обрабатываемой поверхности;
- практических рекомендаций по проектированию и технологической подготовке производства сборных зенкеров с СМП, обеспечивающих сокращение сроков проектирования и снижение трудоемкости технологической подготовки производства.
Достоверность полученных результатов подтверждается экспериментальными исследованиями проверки адекватности полученных математических моделей, результатами экспериментально-промышленных испытаний, использование поверенных средств контроля, внедрением разработанных конструкций сборных зенкеров в производство.
Основные положения работы были доложены и обсуждены на Международной научно-технической конференции «Вибрационные машины и технологии» (Курск, 2001), на Всероссийской научно-технической конференции «Прогрессивные технологии и оборудование в машиностроении и металлургии» (Липецк, 2002), на Международной научно-технической конференции «Технологические системы в машиностроении» (Тула, 2002), на Международной научно-технической конференции «Сертификация и управление качеством продукции» (Брянск, 2002), на 1-й Международной научно-технической конференции «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (Курск, 2003), на 7-й Международной научно-технической конференции «Физические и компьютерные технологии в народном хозяйстве» (Харьков, 2003), на XXXI вузовской научно-технической конференции «Молодежь XXI века» (Курск, 2003), на 2-й Международной научно-технической конференции «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (Курск, 2004).
Определено место сборных зенкеров, оснащенных сменными многогранными пластинами в общей геометрической теории формирования поверхностей режущими инструментами.
Назначен статус каждого параметра и тем самым определен вид задачи формообразования, выявлена логическая взаимосвязь конструкторско-технологических параметров при проектировании сборного зенкера с СМП, выведена формула инструмента.
Реализация поставленной цели осуществляется комплексным подходом, учитывающим проектирование, изготовление и эксплуатацию инструмента. С учетом параметров обрабатываемого отверстия (диаметра и длины) определены параметры образующей и выполнено ее дискретное представление. Выбрав СМП соответствующей формы, рассчитываются параметры ее дискретного представления: координаты точки х, у, z; угол профиля; радиус кривизны; длину дуги; векторы нормали к передней и задней поверхности. Ориентация СМП осуществляется исходя из условий контакта j - ой точкой производящей поверхности и гарантированных значений переднего угла, главного угла в плане, угла наклона режущей кромки - в точке контакта. При расчете учитывается конструктивная подача по направляющей.
Решены задачи связанные с численным моделированием работы и оценки инструмента, в этих целях рассмотрены поверхности описываемые режущими кромками в процессе работы инструмента и значения производных этих поверхностей: производные по длине режущей кромки; производные по параметру движения (определение векторов движений); производные по времени (характеризующий суммарный вектор скорости). В результате моделирования процесса обработки осуществляется расчет оценочных параметров: изменение углов вдоль режущей кромки; срезаемых слоев (толщины, ширины, длины) для СМП, а также высоту и средний шаг неровностей.
При решении задачи деталь, СМП, корпус зенкера, станок и приспособление второго порядка рассматриваются как единая система. Перечисленные объекты математически представляются графом проектирования сборного зенкера.
Применяя блочно-иерархический принцип разбиения сложных технических систем к конструкции инструмента его можно рассмотреть как совокупность определенных модулей, разукрупняя их до элементарных поверхностей. Математически взаимосвязь между модулями представлена графом, узлами которого служат системы координат, а дугами - матрицы переходов между ними. На начальном этапе конструкцию сборного зенкера рассматривают как сборочную единицу, где рассматривается взаимосвязь между корпусом зенкера, СМП, клиньями, винтами и штифтами. Далее корпус инструмента разбивается на рабочую и хвостовую часть. Представив рабочую и хвостовую часть как отдельные модули, затем каждый из модулей разбивают на отдельные элементы. Данное разбиение представлено графом рабочей и хвостовой части.
Матрицы установки рассчитываются путем задания конструктивных размеров каждого из элементов, а также параметров, которые определяют положение одного элемента относительно другого. В соответствии с этим для корпуса сборного зенкера рассчитываются матрицы: установки рабочей части относительно хвостовой; установки гнезд под СМП относительно рабочей части; установки лысок и боковых поверхностей рабочей и хвостовой части относительно рабочей части и хвостовой части соответственно; установки гнезд под клинья относительно СМП; установки стружечной канавки относительно рабочей части; установки скоса стружечной канавки относительно рабочей части; установки поверхностей оформляющих рабочую часть относительно СМП. Отдельно рассматривается клин для крепления СМП, при этом рассчитывается матрица установки отверстия под винт в клине относительно клина.
Форма и размеры СМП и ее ориентация относительно производящей поверхности определяют форму и размеры гнезда под СМП и его ориентацию в корпусе инструмента. Задаваемые конструктором размеры клина для крепления СМП определяют конструктивные размеры гнезда под клин.
Для обработки корпуса инструмента рассматривается в единой системе координат корпус инструмента, станок и приспособление. В результате чего можно произвести расчет наладок и подготовить управляющую программу для станка с ЧПУ.
Параметры приспособления рассчитываются по матрицам установки элементов относительно корпуса инструмента.
При проектировании корпуса сборного зенкера в качестве исходных данных являются обрабатываемый материал, материал СМП, диаметр и длина обрабатываемого отверстия, параметры используемой СМП, параметры установки СМП относительно производящей поверхности, режимы резания и размеры самого инструмента.
В результате численного моделирования процесса резания получены графики изменения углов и параметров срезаемых слоев вдоль режущей кроки, а также высоту и средний шаг неровностей.
Исходя из матриц установки для каждого элемента в автоматизированном режиме рассчитаны параметры наладки для станка.
После достижения рациональных результатов поэтапно осуществляется проектирование корпуса инструмента.
1. Колчин А.Ф., Овсянников М.В., Стрекалов А.Ф., Сумароков СВ. Управление жизненным циклом продукции. - М.: Анахарсис, 2002. - 304 с.
2. Н.А. Кудря, Э.Ф. Эйхманс. Современные направления совершенствования твердых сплавов для режущего инструмента // СТИН. - 1986. - №6. -с.15-16
3. СТ. Лакирев. Обработка отверстий. Справочник. - М.: Машиностроение, 1984.-206 с : ил.
4. В.Ю. Конюхов Использование автоматизации системы научных исследований при проектировании сборного режущего инструмента для ГПС // СТИН. - 1989. - №7. - с. 17-18.
5. Каталог фирмы "SECO"
6. А new tool for hole making // Production (USA) - 1994 - 106, № 11. - С 10. -Англ.