Комп'ютерне моделювання дискового інструменту для гвинтових канавок свердел

Размещено на http://www.allbest.ru/

12

КОМП'ЮТЕРНЕ МОДЕЛЮВАННЯ ДИСКОВОГО ІНСТРУМЕНТУ ДЛЯ ГВИНТОВИХ КАНАВОК СВЕРДЕЛ

Актуальність теми дослідження. Високі експлуатаційні характеристики свердла (точність оброблення, стійкість, надійність відведення стружки) забезпечуються точним розрахунком інструменту другого порядку. Тому розробка ефективних методик та алгоритмів профілювання є актуальною та становить практичну цінність.

Постановка проблеми. Розвиток методів профілювання, які повинні забезпечувати вирішення завдань профілювання на сучасному науково-технічному рівні, у найкоротші терміни при економії ресурсів.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Були розглянуті останні публікації у відкритому доступі, зокрема й методи геометричного твердотільного моделювання процесу формоутворення гвинтових поверхонь.

Виділення недосліджених раніше частин загальної проблеми. Підвищення точності графічних методів профілювання, за рахунок використання сучасного інструментального середовища універсальних CAD-систем.

Постановка завдання. Вдосконалення методики профілювання дискових інструментів, розробка алгоритму комп 'ютерного моделювання процесу формоутворення стружкової канавки свердла.

Виклад основного матеріалу. Пряма та зворотна задачі профілювання дискового інструменту вирішені за допомогою типових операцій поверхневого та твердотільного моделювання універсальної CAD-системи.

Висновки відповідно до статті. Розроблено алгоритми та параметричну 3D модель процесу формоутворення гвинтової стружкової канавки спіральних свердел дисковими інструментами, які дозволяють вирішувати пряму та зворотну задачі профілювання, визначати можливі вихідні інструментальні поверхні при варіюванні параметрів встановлення, прогнозувати похибки профілювання.

Ключові слова: профілювання; дисковий інструмент; стружкова канавка; гвинтова поверхня; CAD-система.

Актуальність теми дослідження. У сучасному машинобудуванні при обробленні отворів широко використовуються спіральні свердла як стандартні, так і спеціальних конструкцій. Профіль гвинтової канавки визначає основні параметри робочої частини, а саме, форму та геометрію головної та допоміжної різальних кромок, міцність та жорсткість свердла, умови розміщення та відведення стружки із зони різання.

Найчастіше для формоутворення стружкових канавок свердел використовують операції фрезерування та шліфування, тобто оброблення дисковими інструментами - фасонними дисковими фрезами та шліфувальними кругами.

Високі експлуатаційні характеристики свердел (точність оброблення отвору, міцність, стійкість, надійність відведення стружки) забезпечуються точним розрахунком інструменту другого порядку.

При проектуванні дискових інструментів першим етапом є профілювання - визначення вихідної інструментальної поверхні обертання по відомому профілю стружкової канавки. Задача є однією з найбільш трудомістких в інструментальному виробництві. Тому створення ефективних методик і алгоритмів вирішення задачі профілювання є актуальною задачею та несе практичну цінність як для конструкторів, так і для студентів відповідних спеціальностей.

Постановка проблеми. Розвиток методів профілювання, які повинні забезпечувати вирішення завдань профілювання на сучасному науково-технічному рівні, у найкорот- ші терміни при економії ресурсів.

Аналіз останніх досліджень і публікацій. Найбільш складним етапом у профілюванні дискових інструментів є етап визначення вихідної інструментальної поверхні. Задача вирішувалася багатьма дослідниками. У результаті були розроблені різноманітні графічні [1-3; 5], аналітичні [1-3; 4] та чисельні [6; 7; 10] методи визначення поверхні обертання, спряженої з гвинтовою поверхнею канавки свердла.

Серед графічних методів найбільшого поширення набули: метод нормальних перетинів, метод суміщених перерізів, а також методи, засновані на нелінійному відображенні простору за допомогою гвинтового проектування. У графічних методах найчастіше просторова задача визначення вихідної інструментальної поверхні зводилася до плоскої задачі, шляхом розгляду сукупності перетинів спряжених поверхонь деталі та вихідної інструментальної поверхні площинами, перпендикулярними осі свердла або дискового інструменту.

Графічні методи є найбільш простими та наочними, дозволяють знаходити нові закономірності, аналізувати вирішувані задачі, використовуються як для виведення аналітичних залежностей для розрахунку профілю інструменту, так і як контрольні, за допомогою яких легко виявляються помилки аналітичного профілювання. До недоліків графічних методів треба віднести їх невисоку точність.

Різноманітність аналітичних методів пов'язана з тим, що при вирішенні поставлених задач використовувався або загальний аналітичний метод визначення обвідних поверхонь, або кінематичний метод визначення обвідних поверхонь, заснований на вирішенні рівняння контакту, або метод загальних нормалей. Аналітичні методи найбільш точні, дозволяють визначити безліч можливих варіантів вихідної інструментальної поверхні та вибирати з них найбільш доцільну поверхню для певних виробничих умов. Однак використовувані аналітичні рішення є недостатньо наочними, часто важко формалізуються, вимагають виведення складних аналітичних залежностей, розв'язання диференціальних або трансцендентних рівнянь із застосуванням методів обчислювальної математики.

Чисельні методи спираються на графічні методи, засновані на мінімізації відстаней від осі інструменту до точок ліній перетину гвинтової поверхні площинами, перпендикулярними осі дискового інструменту. Методи володіють достатньою для практики точністю, є повністю формалізованими та використовують методи обчислювальної математики при їх реалізації.

Застосування аналітичних і чисельних методів профілювання можливо тільки в межах спеціальних програмних продуктів або математичних систем автоматизованого проектування універсального призначення.

Нині найбільш ефективно виконується вирішення задач формоутворення поверхонь наоснові застосування методів поверхневого і твердотільного моделювання засобами універсальних CAD-систем [8; 9]. У наведених роботах показана можливість застосування таких систем, як AutoCAD, T-FLEX, Cimatronдля вирішення задач профілювання різноманітних гвинтових поверхонь. Ці методи мають високу точність, при збереженні перерахованих переваг графічних методів, дозволяють швидко й без додаткових витрат, розв'язувати задачі профілювання, крім того, вони застосовуються для візуалізації результатів інших методів. Однак прикладів вирішення задач профілювання дискових інструментів для гвинтових канавок свердел у CAD-системах у літературі не наведено.

Виділення недосліджених частин загальної проблеми. Підвищення точності графічних методів профілювання, за рахунок використання сучасного інструментального середовища універсальних CAD-систем.

Постановка завдання (цілей статті). Вдосконалення методики профілювання дискових інструментів, розробка алгоритму комп'ютерного моделювання процесу формоутворення стружкової канавки свердла.

Виклад основного матеріалу.

В інструментальному виробництві розрізняють такі види задач профілювання: пряма задача, зворотна задача, задача оптимізації установчих параметрів інструменту.

У роботі розглянуто вирішення прямої та зворотної задачі профілювання дискового інструменту за допомогою типових операцій поверхневого та твердотільного моделювання універсальної CAD-системи AutodeskInventor.

Як приклад уроботі розглядається спіральне свердло для оброблення легких сплавів діаметром 9,1 мм за ГОСТ 19543-74.

Пряма задача.

Першим етапом методики профілювання є визначення вихідної інструментальної поверхні як огинаючої до послідовних положень поверхні канавки свердла, які вона займає в процесі оброблення, відносно нерухомого інструменту.

При профілюванні вважаються відомими: діаметр свердла D,діаметр серцевини свердла do,кут при вершині 2ф, кут нахилу гвинтової канавки а, установчі параметри осі дискового інструменту: кут схрещування Eосі свердла та дискового інструменту, міжосьова відстань Aміж віссю свердла та дискового інструменту, положення точки схрещування осей, задане відстанню K.Зазвичай кут Eміж осями дискового інструменту та свердла визначається за залежністю:

Міжосьова відстань Aвизначається відповідно до розмірів серцевини свердла doта проектованого інструменту Д:

Положення точки схрещування осейК залежить від кута у та становить:

де Н - крок гвинтової канавки, що визначається відповідно допараметрів гвинтової канавки:

Кут у залежить від профілю торцевого перерізу гвинтової канавки та визначається залежністю:

де У_тахта у _minвідповідно максимальний та мінімальний кути нахилу дотичних до точок торцевого перерізу канавки, розташованих на зовнішньому діаметрі свердла.

Схема формоутворення включає в себе швидке обертання дискового інструменту навколо своєї осі та повільний рух гвинтової подачі з кроком, що збігається з кроком гвинтової канавки та віссю, що збігається з віссю свердла. Рух подачі призводить до ковзання гвинтової поверхні канавки «самої по собі» та при профілюванні не враховується. Таким чином, при визначенні вихідної інструментальної поверхні враховується тільки рух обертання навколо осі інструменту другого порядку.

Профіль торцевого перетину гвинтової канавки (рис. 1) визначається графічно за відомою методикою [1-3], з умови отримання на свердлі прямолінійної різальної кромки, що розташовується під кутом ф до осі свердла.

Вважаються відомими: кут нахилу гвинтової канавки а, діаметр серцевини do,діаметр спинки Ді, ширина стрічкиfПобудовані точки робочої ділянки стружкової канавки апроксимуються сплайном, а неробоча ділянка оформлюється у вигляді дуги кола.

Аналіз процесу проектування дозволив виділити параметри моделі гвинтової канавки свердла, найменування, позначення, позначення в Inventorі початкові значення величини яких наведені в таблиці.

Рис. 1. Торцевий переріз стружкової канавки свердла (вихідний)

Таблиця Параметри моделювання дискового інструменту для гвинтової канавки свердла

Алгоритм комп'ютерного моделювання зводиться до таких етапів:

1. Побудова циліндричної заготовки свердла діаметром D по відомому торцевому перерізу гвинтової канавки довжиною, що становить Н/4, вздовж осі Z, перпендикулярної площині ХУ. Цей крок виконується командою «Выдавливание». Довжина циліндричної заготовки визначена таким чином, щоб отримати 74 частину всієї гвинтової поверхні, що достатньо для подальшого профілювання та не потребує багато ресурсів обчислювальної техніки, а також скорочує час профілювання загалом.

2. Побудова поверхні гвинтової стружкової канавки свердла по відомому торцевому перерізу гвинтової канавки командою «Пружина» з параметрами: крок Н, довжина Н/4. Довжина прийнята з умов економії часу профілювання та не впливає на процес профілювання загалом.

3. Побудова осьової площини та осі дискового інструменту, положення яких визначається заданими установчими параметрами.

4. Обертання гвинтової поверхні навколо осі інструменту симетрично на кут 45° з кількістю елементів, що становить 90. У системі геометричного твердотільного моделювання цьому відповідає операція «Круговий масив» (рис. 2).

Рис. 2. Положення гвинтової поверхні канавки свердла при її обертанні

5. Визначення осьового профілю вихідної інструментальної поверхні як огинаючої сімейства ребер елементів кругового масиву, отриманого за допомогою операції «Проектування ребер», у вигляді сплайну (рис. 3, а). Коригування осьового профілю проводиться за необхідності, відповідно до умов формоутворення [1-3].

6. Побудова тіла, обмеженого вихідною інструментальною поверхнею, командою «Обертання» (рис. 3, б).

Рис. 3. Вихідна інструментальна поверхня дискового інструменту

Зворотна задача.

1. Побудова циліндричної заготовки свердла діаметром D,по відомому торцевому перерізу гвинтової канавки, довжиною, що становить Н/4, вздовж осі Z, перпендикулярної площині XY.Цей крок виконується командою «Видавлювання».

2. Побудова осьової площини та осі дискового інструменту, положення яких визначається заданими установчими параметрами.

3. Побудова тіла інструменту, обмеженого вихідною інструментальною поверхнею, за відомим профілем в осьовій площині командою «Обертання». Якщо пряма й зворотна задачі вирішуються послідовно для тих параметрів гвинтової канавки і установчих параметрів, які збігаються, то перший і другий пункти алгоритму пропускаються.

4. Побудова послідовних положень дискового інструменту при його гвинтовому русі. Ця операція в середовищі CAD-системи відповідає команді «Прямокутний масив» за двома напрямками, з кількістю елементів, що дорівнює 45, симетрично, вздовж напрямної гвинтової канавки, на всю довжину (рис. 4).

Рис. 4. Положення дискового інструменту при його гвинтовому русі

5. Визначення торцевого перерізу гвинтової канавки свердла, як огинаючої сімейства ребер елементів прямокутного масиву у вигляді сплайну (рис. 5). Коригування осьового профілю проводиться за необхідності, відповідно до умов формоутворення [1 - 3].

Рис. 5. Торцевий переріз стружкової канавки свердла (отриманий)

6. Порівняння вихідного й обробленого профілів гвинтової стружкової канавки з метою визначення похибок профілювання. Якщо похибка більше допуску на виготовлення профілю, то необхідно змінити кут схрещування осей або положення точки схрещування осей.

Вихідні дані вводяться за допомогою форми «Моделювання» (рис. 6), розробленої за допомогою технології iLogic системи Inventor.

Рис. 6. Форма «Моделювання»: а - вкладка «Параметри свердла»; б - вкладка «Установчі параметри»

Вкладка «Параметри свердла» (рис. 6, а) призначена для введення параметрів свердла, для якого виконується профілювання дискового інструменту. Вкладка "Установчі параметри" (рис. 6, б) призначена для введення вихідних даних установчих параметрів, відповідно для яких виконується профілювання. Значення установчих параметрів можуть прийматися або відповідно до рекомендацій [1-3], або обиратися самостійно. Після введення параметрів відбувається моделювання вихідної інструментальної поверхні дискового інструменту для гвинтової канавки свердла.

відвід стружка профіль канавка свердло

Висновки відповідно до статті.

Розроблено алгоритми та параметричну 3D модель процесу формоутворення гвинтової стружкової канавки спіральних свердел дисковими інструментами, які дозволяють вирішувати пряму та зворотну задачі профілювання, визначати можливі вихідні інструментальні поверхні при варіюванні параметрів встановлення, прогнозувати похибки профілювання.

Список використаних джерел

1.Родин П. Р. Металлорежущие инструменты. Киев: Вища школа, 1986. 400 с.

2.Родин П. Р. Основы проектирования режущих инструментов. Киев: Вища школа, 1990. 424 с.

3.Родін П. Р., Равська Н. С., Ковальова Л. І., Родін Р. П. Різальний інструмент у прикладах і задачах: навчальний посібник. Киев: Вища школа, 1994. 294 с.

4.Лашнев, С. И., Юликов, М. И. Проектирование режущей части инструмента с применением ЭВМ. Москва: Машиностроение, 1980. 208 с.

5.Руководство по курсовому проектированию металлорежущих инструментов: учебное пособие для вузов / Кирсанов Г. Н. та ін. Москва: Машиностроение, 1986. 288 с.: ил.

6.Ковалева Л. И. Разработка численных методов профилирования фасонных фрез: дис. канд. техн. наук / Киевский политехнический институт. Киев, 1988. 243 с.

7.Петухов Ю. Е. Профилирование режущих инструментов в среде Т-FLEX САБ-3Б. Вестник машиностроения. 2003. № 8. С. 67-69.

8.Люлько В. Н. Методика поверхностного геометрического моделирования дисковых фрез для изготовления винтовых поверхностей. Химическое и нефтегазовое машиностроение. 2005. № 4. С. 46-47.

9.Ляшков А. А. Геометрическое и компьютерное моделирование формообразования поверхностей деталей: монография. Омск: ОмГТУ, 2013. 89 с.

10.Бржозовский Б. М., Захаров О. В. Автоматизированное проектирование дискового инструмента для обработки винтовых поверхностей. Труды XIМеждународной конференции «Си»

Размещено на Allbest.ru