авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Повышение эффективности технологической подготовки производства на основе автоматизированного проектирования и выбора сборных торцевых фрез

На правах рукописи

ГУЛЯЕВ ЮРИЙ БОРИСОВИЧ

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ

ПОДГОТОВКИ ПРОИЗВОДСТВА НА ОСНОВЕ

АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ВЫБОРА

СБОРНЫХ ТОРЦЕВЫХ ФРЕЗ

Специальность:

05.13.06 – Автоматизация и управление технологическими процессами и

производствами (технические системы)

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2006 2

Работа выполнена в ГОУ ВПО Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»

Научный руководитель:

доктор технических наук Лукина Светлана Валентиновна

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Султан-заде Назим Музаффарович кандидат технических наук, доцент Симанженков Константин Александрович Ведущее предприятие: ОАО «ВНИИинструмент»

Защита состоится « 2006 г. в _ часов на »

заседании диссертационного совета К212.142.01 при ГОУ ВПО Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» по адресу 127994, г.Москва, ГСП-4, Вадковский пер., д.3а.

Отзывы (в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения) просим направлять по указанному адресу в диссертационный совет

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»

Автореферат разослан 2006г.

Ученый секретарь диссертационного совета И.М.Тарарин

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Актуальной задачей современного производства является повышение точности и качества обработки при обеспечении заданного уровня производительности операций. Одним из основных направлений обеспечения требуемого уровня качества обработки является использование более прогрессивных конструкций режущих инструментов.

Современное состояние и перспективы развития металлообработки характеризуются широким использованием сборного режущего инструмента, оснащенного сменными механически закрепляемыми режущими элементами, выполненными из твердых сплавов, керамики и сверхтвердых материалов. При обработке открытых поверхностей и поверхностей, расположенных вблизи уступов, используют сборные торцевые фрезы.

Многообразие условий обработки и недостаточное развитие расчетных методов, не позволяющих решать задачу выбора рациональной конструкции инструмента на стадии проектирования, привели к созданию большой номенклатуры фрез одного назначения. В настоящее время спроектировано и применяется более тысячи конструкций сборных торцевых фрез с механическим креплением режущих элементов, различающихся габаритными размерами, конструктивным исполнением, способом базирования и крепления режущих элементов, использованием износостойких покрытий и так далее.

Большинство конструкций запатентовано и нормировано ведущими зарубежными и отечественными разработчиками и приведено в каталогах.

В условиях рыночной экономики и жесткой конкуренции недостаточно спроектировать и поставить на рынок какую-либо конструкцию сборной фрезы.

Чтобы выдержать конкуренцию и принести прибыль производителю необходимо, чтобы спроектированная конструкция инструмента обладала набором свойств, уровень показателей которых наилучшим образом отвечает требованиям потребителя с учетом экономических, экологических, социальных и других ограничений.

Это приводит к необходимости использования научно обоснованных методов проектирования, основанных на математическом моделировании, позволяющих оценить работоспособность конструкции и обеспечивающих возможность выбора варианта конструкции на начальных стадиях проектирования. Применение таких методов ускоряет процесс разработки проекта, обеспечивает возможность оптимизации конструкции и приводит к значительному уменьшению затрат на проектирование.

Существующие методы конструирования сборных фрез имеют преимущественно рекомендательный характер и позволяют определить положение режущих пластин в пазах корпуса, обеспечить возможность обработки баз под пластины в корпусе и технологичности конструкции в целом;

экспериментально или статистически оценить какую-либо существующую конструкцию по статическим, динамическим или теплофизическим характеристикам для определенных условий резания, не определяя систему проектирования инструмента в целом.

Большинство разработанных подсистем автоматизированного проектирования режущих инструментов является уникальными, созданными для конкретных производственных условий, сложными и дорогостоящими, тиражируемыми с большими дополнительными затратами и не позволяют произвести выбор конструкции сборной фрезы на этапе технологической подготовки производства.

Поэтому задача разработки системы автоматизированного проектирования сборных торцевых фрез, сформированной с использованием системного подхода, и обеспечивающая единство используемых математических моделей и алгоритмов, является актуальной.

Целью работы является повышение эффективности проектирования и выбора сборных торцевых фрез на основе разработки моделей и алгоритмов, обеспечивающих качество принимаемых решений, сокращение сроков и затрат при использовании автоматизированных систем проектирования.

Научная новизна работы состоит в:

-системе взаимосвязанных граф-моделей этапов проектирования и выбора сборных торцевых фрез;



математической модели оценки напряженно -построении деформированного состояния сборных торцевых фрез на основе применения метода поверхностных конечных элементов.

Методы исследования. Разделы работы выполнены с использованием основных положений теории проектирования режущих инструментов, теории графов, теории систем, метода конечных элементов, теории вероятности и математической статистики.

Практическая ценность диссертации состоит в создании методического, алгоритмического и программного комплекса, направленного на повышение эффективности автоматизированного проектирования и выбора сборных торцевых фрез.

Разработанные теоретические положения и алгоритмы реализованы инструментальными средствами современных персональных компьютеров, отличаются универсальностью и могут быть использованы при проектировании различных типов сборных режущих инструментов.

Реализация работы. Разработанные рекомендации используется на СП «ИБЕРУС-Киев».

Апробация работы. Основные научные и практические результаты диссертации докладывались на научной студенческой конференции, посвященной 70-летию МГТУ «Станкин» (г.Москва, 2000 г.), Всероссийской научно-технической конференции «Наука, техника и технологии ХХI века»

ННТ-2005 (г.Нальчик, 2005 г.), IX-й научной конференции МГТУ «Станкин» И «Учебно-научного центра математического моделирования МГТУ «Станкин» ИММ РАН» по математическому моделированию и информатике (г.Москва, 2006 г.), заседаниях кафедры «Инструментальной техники и технологий формообразования» ГОУ ВПО МГТУ «Станкин».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 6 печатных работ.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, основных выводов, списка литературы из 131 наименования и приложений. Материал изложен на 175 страницах машинописного текста, содержит 74 рисунка и 8 таблиц. Общий объем работы 246 страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность работы, дается ее общая характеристика.

Глава 1. Состояние вопроса, цель и задачи исследования Первая глава посвящена анализу работ в области проектирования сборных торцевых фрез. В главе приводится обзор работ в области конструирования и проектирования сборных фрез, исследования напряженно деформированного состояния сборных режущих инструментов, сформулированы цель и задачи исследования.

На основе обобщения и анализа фундаментальных исследований по проектированию сборного режущего инструмента Г.И. Грановского, В.А.

Гречишникова, И.И. Семенченко, Г.Л. Хаета, М.И. Юликова;

исследования эффективности и напряженно-деформированного состояния режущей части инструмента Е.В. Артамонова, М.П. Зорева, М.Г. Косова, Т.Н. Лоладзе, В.И.

Малыгина, В.А. Остафьева, М.Ф. Полетики, М.Х. Утешева и других отечественных и зарубежных ученых показано, что эффективность сборных торцевых фрез, отличающихся сложностью и многовариантностью конструкций, в полной мере может быть обеспечена только на основе комплексного подхода к формализации процессов проектирования, научные основы которого разработаны Б.С. Балакшиным, Н.М. Капустиным, А.А.

Кутиным, В.Г. Митрофановым, Ю.М. Соломенцевым, А.С. Ямниковым, П.И.

Ящерициным и другими учеными.

Существующие методики проектирования сборных фрез являются приближенными и позволяют с использованием простых аналитических выражений определить положение режущих пластин в пазах корпуса инструмента;

обеспечить возможность обработки баз под пластины в корпусе фрезы. Выбор варианта и конструктивного исполнения узла крепления режущих элементов осуществляется конструктором в большинстве случаев на основании личного опыта. Разработанные подсистемы автоматизированного проектирования режущих инструментов, в основе которых используются математические модели, построенные с применением различных подходов, ориентированы на проектирование какого-либо вида инструмента или определенной конструкции для конкретных производственных условий.





Поэтому поиск лучшего варианта конструкции инструмента с использованием традиционных методов проектирования достаточно сложен и трудоемок.

Исходя из результатов анализа и поставленной цели в работе были определены следующие задачи исследования:

-разработать модель обобщенной конструкции сборной торцевой фрезы, учитывающую многообразие конструктивных исполнений сборных фрез;

- разработать модель взаимного расположения элементов сборных торцевых фрез;

-разработать модель формирования системы исходной информации на проектирование сборных торцевых фрез;

-сформировать и аналитически описать модель оценки напряженно деформированного состояния сборных торцевых фрез;

-исследовать напряженно-деформированное состояние сборных торцевых фрез с целью определения степени влияния способа базирования и крепления режущих пластин на жесткость и прочность инструмента;

-сформировать систему частных критериев оценки вариантов конструкций сборных торцевых фрез при проектировании;

-разработать методику автоматизированного проектирования и выбора сборных торцевых фрез;

- апробировать разработанные модели и алгоритмы на основе численного эксперимента.

Глава 2. Формирование системы граф-моделей сборных торцевых фрез Системный подход в проектировании сборных торцевых фрез предопределяет формирование системы моделей и алгоритмов, построенных с применением единого подхода. В качестве инструментария для разработки системы проектирования сборных торцевых фрез в работе использованы взаимосвязанные граф-модели, обладающие универсальностью, наглядностью и способностью к описанию как последовательных, так и параллельных процессов.

В работе для формализации процесса проектирования сборных торцевых фрез сформированы следующие математические модели:

- модель обобщенной конструкции;

- модель расчета взаимного расположения элементов сборных торцевых фрез;

-модель оценки напряженно-деформированного состояния при проектировании;

- модель формирования системы исходной информации для проектирование сборных торцевых фрез;

- модель оценки вариантов конструкций фрез по системе частных критериев.

Конструкция сборной торцевой фрезы представлена в виде ориентированного графа Г1=(Х,Е), где Х – множество вершин, Е – отношение на множестве Х, которое показывает, как между собой связаны вершины.

Каждая вершина и ребро графа Г1 определяют часть конструкции, конструктивный элемент или параметры части конструкции или конструктивного элемента. Ребро l1 представляет собой подмножество вершин графа Г1 X и одновременно l1 = {x1, x2, x3 }, где х1, х2, х3– режущая, корпусная и крепежная части фрезы. В свою очередь, x1, x2, x3 являются множествами:

{ } { } x1 = x11, x12,..., xnlx1, …, x3 = x31, x32,..., xnlx3. Здесь х11- режущая пластина (СМП), х12 - опорная пластина, х12 – стружколом, х14,…xnlx1 - другие nlx составляющие режущей части, то есть l x1 = U x1i ;

x21 – корпус;

x22 – кассета;

i = nlx x23,…,xnlx2 - другие элементы корпусной части, то есть l x2 = U x2i ;

х31 - узел i = крепления СМП, х32 - узел крепления опорной пластины, х33 - узел крепления стружколома, х34 - узел крепления кассеты, х35 - узел крепления инструмента, nlx другие составляющие (вершины x36,…xnlx3), то есть l x3 = U x3i.

i = Ребра определяют область l x11,...,l x n, l x 21,..., l x n, l x31,...,l x n lx1 lx 2 lx конструктивных элементов режущей, корпусной и крепежной частей фрезы.

nl x Например, ребро l x11 = U x11i определяет область конструктивных элементов i = режущей части сборной торцевой фрезы: x111 – лезвие;

x112 - переднюю поверхность;

x113 - заднюю поверхность;

x114,..., xnlx11 - другие конструктивные элементы. Узел крепления СМП объединяет следующий набор элементов вершин ребра lx31={x311, x312, x313, x314 x315…xnlx31}: x311 – винт с конической головкой;

x312 - штифт;

x313 - эксцентрик;

x314- прихват;

x315 – изогнутый штифт;

x316 - крепежный винт;

x317 -регулировочный винт;

x318,…,xnlx31 - другие nlx элементы: l x31 = U x31i.

i = Каждый конструктивный элемент характеризуется определенными линейными и угловыми размерами. На графе это отображается ребрами l x111,..., l x n 1, l x 211,..., l xn 1, l x311,..., l xn 1. Например, состояние лезвия СМП lx1 lx 2 lx (ребро lх1111) определяется допустимым радиусом его округления (вершина x11111), углом наклона главной режущей кромки (вершина x11121) и другими параметрами (вершины x11131,..., xnlx 111 1 );

передняя поверхность СМП (ребро lх1121) задается передним углом (вершина x11211), наличием зачищающей фаски (вершина x11221), углом фаски (вершина x11231), формой стружколомающих канавок (вершина x11241), диаметром вписанной окружности (вершина x11251) и другими параметрами (вершины x11261,..., xnlx 112 1 ).

Таким образом, конструкция сборной торцевой фрезы на уровне составных частей определена объединением:

nl x1 nl x 2 nl x l1 = U xi = U x1U x2 U x3 = U x1i U x2i U x3i, (1) i =1 i =1 i = i = а на уровне конструктивных элементов:

nlxlx nlx11 nlx12 nlx 21 nlx l1 = U x11i U x12i... U xnlx U x21i U x22i...

lx1i i =1 i =1 i =1 i =1 i = nlxlx 2 nlxlx 3 (2) nlx 31 nlx U xnlx U x31i U x32i... U xnlx lx 2i lx 3i i =1 i =1 i =1 i = Разработанная модель является обобщенной, описывает все возможные известные конструкции сборных торцевых фрез и позволяет, с одной стороны, разложить на элементы любую конструкцию инструмента с целью получения более полного представления об ее устройстве, с другой стороны, построить логическую схему найденного технического решения и оценить его работоспособность. Модель является открытой и может совершенствоваться без изменения начальной структуры.

Общая структура математической модели расчета геометрических параметров сборной торцевой фрезы представлена в виде графа Г2=(Х,Е ), каждой из вершин которого соответствует локальная трехмерная система координат какого-либо элемента инструмента, а дуги графа определяют матрицы перехода между этими системами координат. Определены следующие системы координат – вершины графа: XYZ х11 – режущего элемента (СМП);

XYZх12 –опорного элемента;

XYZ х13 –стружколома;

XYZх14,…, XYZxnlx1 –других элементов режущей части фрезы;

XYZx21 –корпуса фрезы;

XYZ x22 –кассеты;

XYZx23,…,XYZxnlx2 –других элементов корпуса фрезы;

XYZ х31 –узла крепления режущего элемента;

XYZ х32 –узла крепления опорного элемента;

XYZх33 –узла крепления стружколомающего элемента;

XYZ х34 –узла крепления кассеты;

XYZх36,…, XYZxnlx3 –узлов крепления других элементов режущей части и корпуса фрезы. На рис.1. представлен граф координатных систем для сборной торцевой фрезы с кассетным креплением режущих пластин.

Дуги графа Г2=(Х,Е ) описывают связи между перечисленными системами координат с использованием матриц перехода. Для сборной торцевой фрезы, представленной на рис.1, матричное преобразование систем координат описано выражением, которое переводит координаты отсчета, заданные в системе:

[М ] = [M ]x11, x21 [M ]x11, x22 [M ]x11, x316 [M ]x11, x21 [M ]x11, x316 [M ]x22, x (3) [M ]x, x [M ]x, x [M ]x, x [M ]x, x [M ]x, x 316 22 22 343 22 344 343 344 344 Здесь переход из одной системы координат (“старой”) в другую (“новую”) осуществляется перемножением матриц:

[] [M ]XYZ XYZ = [М х ] М y [М z ] [М u ], i + i где [Mx], [M y], [M z] – матрицы вращения “новой” координатной системы XYZi относительно осей X, Y, Z “старой” системы координат XYZi-1;

[Mu] – 15 15 15 30 30 l1 = U x11U x21 U x22 U x316 U x343 U x344 U x i =1 i =1 i =1 i =1 i =1 i = Рис.1. Граф Г2=(Х,Е ) координатных систем элементов сборной торцевой фрезы с кассетным креплением режущих пластин матрица перемещений начала координат системы XYZi относительно начала координат XYZi-1:

cos y 0 sin y 1 0 0 cos sin x 0 0 [] 1 [М x ] =, М y =, x 0 sin x cos x 0 sin y 0 cos y 0 1 0 0 0 0 cos z sin z 0 0 1 0 0 sin z cos z 0 0 1 [М z ] =,[М u ] =.

0 0 1 0 0 U x U y U z 0 0 0 Здесь x, y, z, углы поворотов системы координат XYZi+ относительно соответствующих осей системы координат XYZi;

Ux, Uy, Uz – значения смещений центра системы XYZi+1 относительно XYZi в направлениях осей X, Y, Z.

Множество таких преобразований представляет модель расчета сборных торцевых фрез. Разработанная модель позволяет определить: положение и ориентацию режущих, опорных, стружколомающих и других элементов режущей части относительно посадочного гнезда кассеты и корпуса фрезы;

положение и ориентацию посадочного гнезда кассеты или корпуса фрезы относительно установочной базы корпуса инструмента;

параметры установки корпуса инструмента на станке второго порядка для изготовления паза под режущие и опорные пластины или кассеты.

Модель позволяет рассчитывать взаимное расположение компонентов вне зависимости от их числа и первоначальной ориентации в местных системах координат.

Система исходной информации, необходимая для проектирования обобщенной конструкции сборной торцевой фрезы, однозначно заданной объединениями (1) и (2), представлена в виде графа Г3=(X,E). На графе Г ребро l2 является областью формирования исходных данных, которые разбиты на три группы. Первая группа исходных данных (ребро l21) характеризует обрабатываемую деталь или поверхность. Ребро l22 объединяет группу исходных данных, характеризующую условия эксплуатации проектируемой фрезы. Третья группа исходных данных (ребро l23) относится к процессу изготовления фрезы. Параметры проектируемой фрезы на графе представлены ребром l Глава 3. Моделирование напряженно-деформированного состояния сборных торцевых фрез Моделирование напряженно-деформированного состояния сборных торцевых фрез производилось при условии, что на обобщенную конструкцию инструмента действует система внешнего силового воздействия, под действием которой сборочные элементы фрезы упруго деформируются. Для иллюстрации процесса моделирования напряженно-деформированного состояния сборных торцевых фрез сформирован граф сопряжения конструкции инструмента Г4=(X, E), построенный на основе графа конструкции Г1=(X, E) с сохранением индексации его вершин, приведенный на рис.2.

На графе Г4=(X, E) каждая вершина определяет какой-либо сборочный элемент-звено фрезы, а ребра характеризуют наличие контактных связей между вершинами-звеньями инструмента. Стрелками на графе обозначены силы, прикладываемые к звеньям фрезы: F - внешние силы, M - моменты, Р- массы, Q - силы закрепления.

Последовательность формирования системы внешнего силового воздействия на элементы фрезы определена в виде множества последовательных этапов, в частности базирования и крепления сборочных элементов, врезания инструмента в заготовку и установившегося процесса резания. Сформированная система использовалась при формировании вектор столбца нагрузок, действующих на элементы конструкции фрезы при расчете.

Моделирование напряженно-деформированного состояния сборной торцевой фрезы при проектировании осуществлялось с использованием численного метода конечных элементов в пространственной постановке.

Описание расчетной схемы включает в себя: формирование геометрического образа сборной фрезы;

генерация конечно-элементной сетки на элементах фрезы;

описание характера упругих взаимодействий между сборочными элементами фрезы;

описание геометрических и физико механических характеристик сборочных элементов фрезы;

формирование массива нагруженных узлов и численных значений нагрузок в узлах.

При составлении расчетной схемы были приняты следующие допущения:

-поверхности сборочных элементов геометрически идеальны, то есть контуры поверхностей сборочных элементов заданы без учета отклонений формы, положения и состояния рельефа;

- в пределах каждого сборочного элемента физико-механические характеристики остаются постоянными;

Mx11 Mxnlx Pxnlx Fx11 PX11 Pxnlx1 Fxnlx х х13 хnlx х QX11 QX QX13 Qxnlx х33 х31 х32 хnlx х21 х QX PX Рис.2. Граф Г4 сопряжений элементов сборной торцевой фрезы - составляющие силы резания равномерно распределены по режущей кромке СМП в зависимости от толщины срезаемого слоя;

- силы крепления равномерно распределены по поверхностям СМП в зависимости от способа крепления.

Разработана методика формирования параметрического геометрического образа сборной торцевой фрезы в CAD/CAM/CAE/PDM-системе SOLIDWORKS.

Основную сложность в формировании геометрического образа корпуса фрезы представляет формирование поверхностей паза под режущую пластину. В теории проектирования сборного режущего инструмента разработаны и используются методики ориентации паза под СМП, основанные на законах начертательной и аналитической геометрии, не позволяющие наглядного объемного представления, необходимого для контроля обеспечения заданной ориентации поверхностей паза.

В работе предлагается методика расчета параметров ориентации паза под СМП, основанная на визуализации 3D-моделирования. Процесс визуализации представлен следующей совокупностью этапов: ориентация геометрического образа СМП в пространстве под необходимыми для осуществления процесса резания углами в системе координат корпуса;

фиксирование геометрического образа корпуса фрезы в плоскости параллельной плоскости резания;

накладывание ориентированного геометрического образа СМП на фиксированный образ корпуса;

вдавливание геометрического образа СМП в объем образа корпуса;

отрисовка контуров элементов;

формирование и вырезка геометрического образа восьмиугольного объемного тела из геометрического образа корпуса фрезы;

формирование геометрического образа отверстия под винт. Предложенная методика расчета ориентации паза под СМП позволяет минимизировать ошибки расчета на стадии формирования геометрического образа корпуса за счет наглядного контроля результатов ориентации на 3D-моделях.

Технологии компьютерного моделирования SolidWorks позволяют на этапе конструкторской проработки чертежа сборной фрезы избежать возможных ошибок, которые могут возникнуть при ее проектировании и изготовлении. В рамках данной работы сформирована сборка следующих компонентов фрезы: корпус, режущие пластины, винты. В результате сборки осуществляется формирование геометрических образов сборных торцовых фрез с различными способами установки СМП (радиальная и тангенциальная) (рис.3).

Рис.3 Геометрический образ сборной торцевой фрезы с радиальной и тангенциальной установкой СМП Сформированные предусматривают возможность 3D-модели оперативного редактирования компонентов без изменения структуры модели и могут быть использованы не только для получения комплекта конструкторской и технологической документации, но и для выполнения инженерных расчетов (прочность, жесткость и т.п.), создания фотореалистичных изображений, мультимедийных презентаций и т.п. Возможность многократного использования сформированных 3D-моделей существенно повышает эффективность работы, обеспечивает сокращение трудозатрат, сроков проектирования и изготовления сборных фрез.

Глава 4. Расчетное моделирование напряженно-деформированного состояния сборных торцевых фрез Для расчетного моделирования напряженно-деформированного состояния геометрический образ сборных торцевых фрез представлен конечно элементной моделью.

В качестве базового конечного элемента для дискретизации сборочных элементов фрез принят восьмиузловой объемный конечный элемент. Для повышения точности расчетов каждый восьмиузловой конечный элемент в автоматическом режиме быт разбит на пять тетраэдров. Податливость затянутых стыков учитывалась путем введения в расчетную схему стержневых элементов, моделирующих контактную податливость стыка и силу затяжки соединений.

Разработан алгоритм повышения эффективности конечно-элементного моделирования напряженно-деформированного состояния вариантов конструкций сборных торцевых фрез, путем направленного формирования параметров поверхностных конечных элементов заключающийся в введении в конечно-элементную модель сборной фрезы дополнительных поверхностных элементов, в частности моделирующих стык или переднюю поверхность СМП, с использованием L-координат или из файла реальных поверхностей без изменения объемной конечно-элементной модели.

В алгоритме предусмотрено формирование единого геометрического образа вариантов конструкций сборных торцевых фрез для сборочных элементов, отличающихся параметрами поверхностных элементов, в частности формами передних поверхностей СМП, влияющими на условия стружкозавивания и стружкодробления, и на контакт опорной поверхности СМП с гнездом корпуса или кассеты, поскольку, как правило, используются двусторонние пластины.

Далее сформированный геометрический образ фрезы разбивается на множество восьмиузловых конечных элементов – формируется обобщенная конечно-элементная модель (рис.4, 5). Процесс разбиения может быть как автоматизированным, так и с использованием графических средств SolidWorks, в частности секущих плоскостей. Граничные условия и внешние воздействия задаются на обобщенной конечно-элементной модели, при условии их однозначности для сравниваемых вариантов. Затем производится уточнение параметров поверхностных элементов варианта в соответствии с выше изложенной методикой.

Повышение эффективности конечно-элементного моделирования сборных торцевых фрез с использованием разработанного алгоритма осуществляется за счет исключения этапов перестроения объемной конечно-элементной сетки при внесении параметров поверхностных элементов, что значительно сокращает время на проектирование;

и обеспечения сопоставимости результатов оценки вариантов за счет использования конечных элементов с одинаковыми для сравниваемых результатов размерами (рис.4, 5).

Общее разрешающее уравнение МКЭ, определяющее перемещения узлов конечно-элементной модели сборной торцевой фрезы определено выражением:

{U } = [K ]1 {F }, (4) Здесь {U}=[u1,v1,w1,u2,v2,w2…un,vn,wn,] – вектор-столбец перемещений узлов;

u, v, w – составляющие перемещений узла тетраэдра по осям координат;

{F}=[U1,V1,W1,U2,V2,W2…Un,Vn,Wn,] - вектор-столбец внешних сил в узлах;

U, V, W – компоненты сил по осям координат X,Y,Z, возникающие в узлах тетраэдра;

Рис.4. Конечно-элементное моделирование корпуса сборной торцевой фрезы Рис.5. Конечно-элементное моделирование СМП [K] – глобальная матрица жесткости конструкции.

Глобальная матрица жесткости сборной фрезы определялась по выражению:

Ne Nс Nk K = [K ]e + [K ]k. (5) e =1 i =1 k = Здесь N e, N k - количество объемных и контактных конечных элементов сборной фрезы;

[K]e, [K]k- матрица жесткости объемных и контактных конечных элементов;

Nc – общее количество стыков в конструкции сборной фрезы.

Напряженное состояние сборной фрезы оценивалось на основании закона Гука по главным 1, 2, 3 и эквивалентным экв напряжениям, рассчитанным по четвертой теории прочности:

{ } = [B ]{U }, (6) { } = [D ]{ }, (7) { } { } { } = x, y, z, xy, yz, zx, { } = x, y, z, xy, yz, zx, Здесь:

где x, y, z, x, y, z - соответственно, деформации и напряжения в тетраэдрах в направлении осей X, Y, Z;

xy, yz, zx - угол сдвига узлов тетраэдра в плоскостях XY, YZ и ZX соответственно;

xy, yz, zx - касательные напряжения тетраэдров в плоскостях XY, YZ, ZX соответственно.

3 J1 2 + J 2 J 3 = 0, (8) J1 = x + y + z, J 2 = x y + x z + y z xy 2 yz 2 zx где J 3 = x y z x yz 2 y zx 2 z xy 2 + 2 xy yz zx ( 1 2 ) 2 + ( 2 3 ) 2 + ( 1 3 ) 2 [ ].

экв = (9) В главе приводятся аналитические исследования напряженно деформированного состояния сборных торцевых фрез с целью оценки влияния способа крепления (С, М, Р и S в соответствии с регламентацией ГОСТ 26476 85) и установки (радиальная, тангенциальная по торцу и периметру фрезы), сил крепления (1-3 кН) и резания (в диапазоне от 500Н до 7000Н, что соответствует чистовому и черновому фрезерованию) на напряженно-деформированное состояние сборных торцевых фрез. Оценивались перемещения вершины режущей кромки СМП и перемещения в стыке СМП- гнездо корпуса в системе координат фрезы в процессе резания;

напряжения в СМП на этапе врезания инструмента в заготовку.

По результатам расчетов с использованием теории планирования экспериментов получены регрессионные модели для расчета суммарных перемещений вершин режущих кромок СМП и максимальных эквивалентных напряжений в СМП в зависимости от сил крепления и резания для различных схем крепления и установки СМП в виде полиномов первой степени:

U = b0 + b1 x1 + b2 x2, (10) экв = b3 + b4 x1 + b5 x2, (11) где x1 - сила резания, кг;

x2 - сила крепления СМП, кг;

b0, b1, b2 и b3, b4, b5 - коэффициенты полинома.

Сравнение полученных результатов с результатами существующих теоретических и экспериментальных работ, показало совпадение картин распределения перемещений и напряжений в объеме СМП, что позволило в дальнейшем использовать выражения (10) и (11) для сравнительной оценки вариантов конструкций сборных торцевых фрез при проектировании.

Глава 5. Методика автоматизированного проектирования и выбора сборных торцевых фрез.

В главе приводится методика выбора и проектирования сборных торцевых фрез по системе частных критериев надежности.

Методика выбора сборных торцевых фрез представлена в виде совокупности этапов:

1)Формирование системы исходной информации: технического задания и системы исходных данных в соответствии с граф-моделью Г3;

2)Синтезирование множества вариантов конструктивного исполнения сборных торцевых фрез в соответствии с граф-моделью Г1;

3)Формирование множества определяющих параметров варианта в соответствии с ребром l1’ граф-модели Г1;

4)Формирование подмножества вариантов конструкций сборных торцевых фрез, удовлетворяющих ограничениям граф-модели Г3;

напряженно-деформированного состояния вариантов 5)Оценка конструкций сборных торцевых фрез с использованием граф-моделей Г4- Г5;

6)Выбор варианта конструкции сборной торцевой фрезы по критериям жесткости и прочности.

Если решение задачи выбора не позволяет подобрать конструкцию сборной торцевой фрезы ее необходимо проектировать. Методика проектирования сборных торцевых фрез представлена в виде совокупности этапов:

1)Формирование структурной модели сборной торцевой фрезы в соответствии с граф-моделью Г1;

2)Формирование множества конструктивных элементов сборочных элементов фрезы в соответствии с граф-моделью Г1;

3)Формирование множества геометрических параметров инструмента в соответствии с граф-моделью Г2;

4)Формирование множества конструктивных параметров инструмента в соответствии с граф-моделью Г1;

5)Формирование геометрического образа сборной торцевой фрезы;

напряженно-деформированного состояния вариантов 6)Оценка конструкций сборных торцевых фрез с использованием граф-моделей Г4- Г5;

7)Уточнение геометрического образа сборной торцевой фрезы.

8)Получение чертежа сборной торцевой фрезы в соответствии с ЕСКД.

При проектировании сборных торцовых фрез актуальной является задача обоснования выбора того или иного варианта конструкции ее рабочей части, в частности, схемы и способа базирования и крепления СМП. В данной работе варианты конструкций сборных фрез предложено выбирать по совокупности ограничений на параметры напряженно-деформированного состояния фрезы (перемещения вершин режущих кромок СМП и напряжения в СМП):

[] U xmin [U x ] U xmax,U ymin U у U ymax, U zmin [U z ] U z max U min [U ] U max, экв min [ экв ] экв max (12) Значения частных показателей в (12) следует определять по выражениям (10) и (11). Предельные значения ограничений в выражении (12) следует принимать по данным справочной литературы.

Согласно (12) предпочтительным будет являться вариант конструкции сборной торцевой фрезы, обеспечивающий выполнение минимальных значений параметров U x, U у, U z, U, экв.

По результатам расчетов произведено ранжирование вариантов конструкций сборных торцевых фрез по частным критериям: напряжения и перемещения.

Основные выводы 1.В результате выполненных исследований решена задача, связанная с повышением эффективности проектирования и выбора сборных торцевых фрез на основе разработанных моделей и алгоритмов, направленных на обеспечение обоснованности и качества принимаемых решений, сокращение сроков и затрат при автоматизированном проектировании.

2.Установлены взаимосвязи между параметрами сборных торцевых фрез, описывающими многообразие их конструктивных исполнений по схемам установки и способам крепления СМП, и частными критериями оценки их напряженно-деформированного состояния, составляющие основу разработанного метода автоматизированного проектирования.

математическая модель оценки напряженно 3.Разработана деформированного состояния торцевых фрез при проектировании с учетом жесткости стыков сборочных элементов, представленных реализацией алгоритма направленного формирования параметров поверхностных элементов.

4.Разработана методика автоматизированного конечно-элементного моделирования напряженно-деформированного состояния сборных торцевых фрез, позволяющая сократить время на проектирование за счет исключения этапов перестроения объемной конечно-элементной сетки при внесении параметров поверхностных элементов вариантов конструкций фрез, и обеспечивающая сопоставимость результатов оценки вариантов за счет использования конечных элементов с одинаковыми для сравниваемых результатов размерами.

5.Программная реализация математической модели оценки напряженно деформированного состояния торцевых фрез при проектировании показала ее работоспособность и возможность использования для оценки вариантов конструкций сборных торцевых фрез, отличающихся схемой установки и способом крепления СМП, при проектировании.

Численные эксперименты с использованием математической модели позволили:

- произвести ранжирование вариантов конструкций сборных торцевых фрез по критериям суммарных перемещений вершин режущих кромок СМП и эквивалентных напряжений в СМП;

- сформировать регрессионные модели для расчета суммарных перемещений и эквивалентных напряжений в зависимости от сил крепления и резания для различных схем крепления и установки СМП.

6.Установлено, что надежность конструкций сборных торцевых фрез при проектировании может быть оценена по системе частных критериев, описывающих напряженно-деформированное состояние инструмента.

Классификация задач, возникающих при проектировании сборных торцевых фрез, позволяет при помощи разработанных моделей сформировать алгоритм выбора и проектирования наилучшего, с точки зрения надежности, варианта конструкции фрезы.

7.Результаты работы, представленные в виде моделей, алгоритмов и программного комплекса проектирования и выбора сборных торцевых фрез, используются на практике (в частности, на СП «ИБЕРУС-Киев»).

Основные результаты работы отражены в следующих публикациях:

1.Гуляев Ю.Б. Формирование геометрического образа сборной торцевой фрезы в CAD/CAM/CAE/PDF- системе SolidWorks //В сборнике докладов IX-й научной конференции МГТУ «Станкин» и «Учебно-научного центра математического моделирования МГТУ «Станкин» - ИММ РАН» по математическому моделированию и информатике.-М.: Янус-К, ИЦ ГОУ МГТУ «Станкин». 2006. – 184-186 с.

2.Гуляев Ю.Б., Лукина С.В. Автоматизированная система проектирования и выбора сборных торцевых фрез по частным критериям оценки напряженно деформированного состояния инструмента. Деп. в ВИНИТИ РАН. – Москва:

ВИНИТИ РАН, 2006. - №793-В2006, -228 с.

3.Лукина С.В., Гуляев Ю.Б. Особенности высокоскоростной обработки с использованием сборных торцовых фрез //Инженерный журнал: Справочник 2005, № 8;

с.27-31.

4.Гуляев Ю.Б. Моделирование и исследование динамических характеристик сборных фрез // В сб. материалов второй Всероссийской научно-технической конференции «Наука, техника и технологии ХXI века»

(ННТ- 2005). Ч1.- Нальчик: Каб-Балк. ун-т, 2005 г. — с.135-138.

5.Гуляев Ю.Б. Аналитические исследования динамических характеристик сборных фрез // Известия ТулГУ. Сер. Инструментальные и метрологические системы. Вып.2. — Тула: Изд-во ТулГУ, 2005. — с.220-224.

6.Гуляев Ю.Б., Кудрявцев Д.А. Применение статистических методов планирования эксперимента для идентификации процесса резания и инструмента // В сб. трудов Научной студенческой конференции, посвященной 70-летию МГТУ «СТАНКИН», Москва 2000 г. -с. 20.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.