10 - 2000

Сквозное проектирование сборного режущего инструмента

Владимир Малыгин, Павел Перфильев, Михаил Худяков, Николай Лобанов

В современных условиях, когда сроки проектирования технологической оснастки и инструмента сокращаются и одновременно повышаются требования к их качеству, особенно актуален вопрос использования новых, более эффективных технологий проектирования и изготовления на базе использования CAD/CAM/CAE-систем. Задачей работы, описанной в настоящей статье, являлась отработка технологии сквозного проектирования и изготовления сборного режущего инструмента с целью повышения его эффективности путем оптимизации показателей качества как на стадии проектирования, так и в процессе изготовления. В общем случае концепция сквозного проектирования с использованием CAD/CAM/CAE-систем должна включать ряд этапов:

+ Начальный этап концептуального проектирования объединяет процедуры структурного синтеза изделия и общеинженерные расчеты, определяющие основные параметры и характеристики изделия. Как правило, современные системы проектирования универсального назначения не обладают встроенными функциями таких процедур. Однако практически все они содержат мощные средства разработки пользовательских приложений, позволяющие сформировать соответствующие расчетные модули и даже интегрировать их в базовую систему. Различная степень интеграции таких модулей (уровни внешних или внутренних процедур и функций), а также предоставляемые CAD/CAM/CAE-системами возможности обмена данными с внешними программами (базами данных, системами инженерного анализа и т.д.) позволяют выбирать наиболее эффективные пути решения инженерных производственных задач.

, Создание геометрической модели изделия. На этом этапе на основе имеющейся информации об основных параметрах изделия формируется геометрически точное описание изделия и генерируется его изображение на экране монитора. Разработанная модель позволяет не только получать во всех необходимых ракурсах реалистичную информацию о внешнем виде и особенностях изделия, но и использовать сгенерированную геометрическую информацию в дальнейшей работе над проектом. Это касается не только данных для технологических задач изготовления изделия (размеры и формы обрабатываемых поверхностей), но и для технико-экономических расчетов (центры масс, периметры, площади и объемы), ведения проектов (наименования и количества сборочных единиц, деталей в сборках).

- Инженерный анализ. На этом этапе сформированная модель подвергается расчетному исследованию на механические, тепловые, электромагнитные и прочие виды воздействий с целью получения сведений о прочностных, динамических, теплофизических и прочих свойствах изделия, имеющих связь с выходными показателями качества режущего инструмента, в частности критериями работоспособности. Сочетание встроенных возможностей автоматизации подготовки данных (например, автогенерация конечно-элементных сеток, использование типовых наборов свойств материалов) с оперативностью расчета альтернативных вариантов (в том числе по задаваемым пользователем сценариям) облегчает обоснованный выбор наиболее эффективных вариантов изделия. По результатам этого этапа первоначальная модель подвергается в случае необходимости корректировке.

. Выпуск конструкторской документации. На основании полученной модели в полуавтоматическом режиме формируются соответствующие схемы, чертежи, эскизы, спецификации, ведомости. Выпускаются электронные или бумажные копии документов.

/ Разработка технологии обработки изделия на оборудовании с числовым программным управлением (ЧПУ). В основном этот этап предусматривает создание управляющих программ для того или иного оборудования с ЧПУ и содержит следующие стадии (процедуры):

  • создание модели заготовки. На данной стадии может быть использована база стандартных или типовых заготовок;
  • интерактивное составление планов обработки и их параметризация. Здесь также обычно используются типовые процедуры и планы обработки, что существенно ускоряет и повышает качество проектирования технологических процессов;
  • расчет траекторий с одновременным формированием текстов управляющих программ на одном из универсальных языков технологического программирования, при необходимости позволяющий вручную скорректировать автоматически сгенерированную программу. Встроенные возможности расчета управляющих программ позволяют осуществлять его в нерабочее время в пакетном режиме, что резко ускоряет процесс подготовки управляющих программ. Обычно в системе имеются развитые средства оптимизации траекторий по нескольким критериям. Имеются также простейшие функции автоматического расчета длины траектории по отдельным участкам и общей, времени рабочих и вспомогательных ходов, объема снимаемого материала и т.д.;
  • визуализация и контроль выполнения управляющей программы в пошаговом или непрерывном режиме в реальном или ускоренном масштабе времени. Имитация процесса обработки изделия сопровождается визуализацией его характера и временных параметров, необработанных областей, а также особенностей оборудования, оснастки и изделия. По результатам составляется протокол обработки;
  • формирование в автоматическом режиме управляющих программ для конкретного станка с ЧПУ на основе использования программ-постпроцессоров. Встроенные возможности создания пользователем оригинальных постпроцессоров позволяют достаточно просто адаптировать систему под имеющееся оборудование. Данная процедура может также производиться в пакетном режиме.

Сформированная технология в дальнейшем может быть передана по каналам связи непосредственно в систему ЧПУ станка и (при соблюдении необходимых мероприятий по синхронизации, настройке и обеспечению безопасности) выполнена. таким образом, в общем, несколько упрощенно, технически реализуется идея безбумажной технологии изготовления изделия. В полной мере идея безбумажной технологии в настоящее время вряд ли жизнеспособна по ряду технических, экономических и организационных причин. Однако интеграция конструкторско-технологических процедур в рамках сквозного проектирования уже сегодня вполне реализуема практически в рамках существующих CAD/CAM/CAE-систем. В качестве примера ее реализации рассмотрим процесс сквозного проектирования сборного режущего инструмента на базе использования CAD/CAM/CAE-системы Cimatron.

На этапе концептуального проектирования сборного инструмента решаются вопросы выбора конструкции узла крепления сменной многогранной пластины (СМП), наиболее подходящей для заданных условий резания. Критерии оптимизации узла крепления СМП могут быть выбраны разные; в частности, одними из основных критериев являются напряженно-деформированное состояние (НДС) СМП и динамическая точность инструмента. Подробно методика оценки НДС режущей пластины и динамической точности описана в работах (см. последний абзац). Методика включает в себя расчет сил, закрепление СМП, определение напряжений в режущей пластине и определение смещений вершины СМП в процессе резания. На основе данной методики оценки качества сборного инструмента разработана расчетная программа TOOL, позволяющая выполнить сравнительный анализ узлов крепления СМП различной формы (квадрат, ромб, шестигранник и т.д.). Проведенный сравнительный анализ трех конструкций узлов крепления (крепление СМП прихватом сверху, косой тягой и специальным винтом) показал для случая точения стали 40 (диаметр заготовки d=60 мм, глубина резания t=2 мм, подача s=0,6 мм/об, скорость резания v=220 м/мин) наиболее подходящим крепление СМП специальным винтом (рис. 1).

На следующем этапе разрабатывается геометрическая модель инструмента. Модель разрабатывается в системе Cimatron, которая позволяет создавать как поверхностные, так и твердотельные модели. Для моделирования сборного инструмента, имеющего сложную пространственную геометрию, удобнее использовать поверхностную модель. Для сборных резцов можно использовать библиотеку стандартных режущих пластин, элементов узла крепления и заготовок корпусов резцов. При проектировании державки резца используются макросы, позволяющие автоматически создавать типовые элементы. В рассматриваемом примере проектировался резец с режущей пластиной, имеющей на передней поверхности стружколомающие канавки. При использовании СМП с плоской передней поверхностью элементы стружкодробления проектируются совместно с державкой или используются накладные стружколомы, на которые может быть разработана соответствующая библиотека, учитывающая особенности стружкодробления для различных обрабатываемых материалов и условий резания. Использование CAD-системы при проектировании инструмента позволяет с заданной точностью и без выполнения дополнительных ручных расчетов определять геометрию паза под режущую пластину и элементы ее крепления в державке (рис. 2). Аналогично создается модель элементов крепления СМП (в данном случае винта с конической головкой). Для проверки всей конструкции в целом выполняется сборка (рис. 3), что позволяет получить информацию о внешнем виде и особенностях инструмента, выполнить расчет массо-инерционных характеристик инструмента. Построенная геометрическая модель в дальнейшем используется для генерации конечно-элементной сетки и для генерации управляющих программ для обработки отдельных элементов на станках с ЧПУ.

Геометрическая модель сборного режущего инструмента, созданная в системе Cimatron в виде файла исходных данных, передавалась в препроцессор системы ANSYS для проведения инженерного анализа методом конечных элементов. Пакет ANSYS v.5.4 имеет мощные средства автоматической генерации конечно-элементных сеток и визуализации геометрической информации, поэтому формирование конечно-элементной модели в системе Cimatron в данном случае является нецелесообразным.

На этапе инженерного анализа в первую очередь оценивалось напряженно-деформированное (НДС) состояние СМП как наиболее опасного с точки прочности элемента сборного режущего инструмента. Задача определения НДС сборного режущего инструмента в целом физически линейна (выполняется закон Гука) и геометрически нелинейна (с учетом контактного характера взаимодействия элементов сборного режущего инструмента). Решение нелинейных задач осуществляется итерационными методами и требует значительно больших затрат, чем решение линейных задач. Поэтому задача решалась с использованием суперэлементного подхода. При этом для каждого элемента сборного режущего инструмента отдельно: СМП, державка, винт; в препроцессоре ANSYS формировались конечно-элементные модели, которые затем с помощью известных процедур преобразовывались в суперэлементы. Таким образом, общая конечно-элементная модель состояла из трех суперэлементов: СМП, державки, винта.

В процессе основного решения, так называемого прохода перемещений, определялись общие деформации всего сборного режущего инструмента в целом и усилия взаимодействия между его элементами. Затем выполнялось дополнительное решение для выбранного элемента, так называемый проход напряжений, в котором определялись основные компоненты напряжения в суперэлементе. По компонентам напряжений рассчитывались эквивалентные напряжения по выбранной теории прочности и оценивался коэффициент запаса прочности. В рассмотренном примере СМП разбивался на 348 конечных элементов (десятиузловые тетраэдры) и 446 узлов (конечно-элементная модель представлена на рис. 4). Силы резания моделировались как сосредоточенные силы, приложенные в узлах на режущей кромке. Эквивалентные напряжения рассчитывались по теории прочности Мора. Максимальные эквивалентные напряжения, как оказалось, действуют на поверхностях СМП, распределение этих напряжений в изополях представлено на рис. 5.

Возможности инженерного анализа, проводимого с помощью метода конечных элементов, не ограничиваются приведенным примером. Точно так же выполняется любой другой вид анализа: тепловой, электромагнитный, смешанный термомеханический и др.

Этап технологического проектирования предусматривает получение управляющих программ обработки резанием заготовки корпуса резца на фрезерном станке с ЧПУ. Корпус формируется из поковки, предварительно обработанной для создания черновых баз — плоских наружных поверхностей. Затем эти же поверхности обрабатываются начисто на фрезерном станке с ЧПУ, в том числе с целью подготовки чистовых баз под обработку паза под режущую пластину. Обработка включает фрезерование паза и сверление отверстия под винт крепления режущей пластины к корпусу. Сложность составления соответствующей программы заключается в определении координат точек, определяющих позиционирование инструмента относительно корпуса. Особенно сложно нахождение этих координат для точки центра отверстия под винт. В ручном режиме расчет этих координат занимает основную долю времени на составление программы обработки. Наличие сформированной в системе Cimatron модели инструмента, включающей отдельные подмодели на каждую сборочную единицу, позволяет решить задачу разработки программы легко и без ошибок пересчета координат.

Для операций торцового фрезерования плоских поверхностей корпуса используется 2,5-координатная обработка с помощью функции PROFILE. Для этого создаются последовательно:

  • система координат станка — MACSYS;
  • модель инструмента — торцевой фрезы диаметром 63 мм.

Затем определяются технологические параметры обработки (режимы резания, наличие или отсутствие охлаждения и т.д.), рабочие параметры инструмента (материал режущей части, скорости рабочих и холостых ходов, начальные точки и т.д.), характер и особые точки траектории движения инструмента и прочие данные.

После того, как система автоматически проверит корректность заданных параметров, можно приступать к автоматическому расчету траектории, сопровождающемуся формированием текста управляющей программы (рис. 6). В процессе расчета траектория отображается на экране монитора, что позволяет осуществлять визуальный контроль правильности обработки. По завершении расчета необходимо ввести команду закрытия траектории. При необходимости можно проконтролировать процесс обработки более тщательно, имитировав обработку на экране монитора с помощью команды SIMULATE (рис. 7). Для этого необходимо задать геометрические параметры заготовки, выбрать конкретную траекторию для ее имитации, для более удобного наблюдения за процессом задать параметры отображения (скорость, цветовую гамму).

Имитация обработки позволяет решить целый комплекс задач, связанных с контролем качества и корректности процесса обработки. В частности, системой предоставляется возможность автоматического отображения необработанных областей и областей «зарезания» обрабатываемых поверхностей. Кроме того, за счет создания (в составе заготовки) дополнительных, эквидистантных к обрабатываемым, поверхностей можно количественно отслеживать нарушение точности обработки в пределах некоторого допуска размеров, формы и расположения поверхности. При включении в состав инструмента элементов оснастки будут отслежены также особенности взаимодействия оснастки с обрабатываемой заготовкой.

На заключительной стадии работы модуля обработки с ЧПУ системы Cimatron с помощью вызова функции работы с постпроцессорами создается управляющая программа обработки разработанного изделия на конкретном станке с ЧПУ. В нашем примере сформированная программа обработки была перенесена в УЧПУ вручную. Изготовленный по результатам проведенных процедур режущий инструмент (токарный резец) изображен на рис. 8.

В настоящее время в качестве практической реализации идеи сквозного проектирования рассматривается проблема связи системы каналом прямой связи с УЧПУ станка. Осуществление этого шага, как ожидается, позволит реализовать практически полный цикл безбумажной технологии при автоматизированной разработке инструмента и оснастки.

в начало

в начало

Вывод

Предложенный алгоритм проектирования и изготовления позволяет обеспечить требуемые показатели качества режущего инструмента на стадии разработки проекта с отработкой технологического процесса изготовления в виде сквозного процесса безбумажного проектирования в системе «человек—компьютер—станок».

«САПР и графика» 10'2000