автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.08, диссертация на тему:Оптимизация обработки деталей сложной формы на трехкоординатных фрезерных станках с ЧПУ

Иркутский государственный технический университет

На правах рукописи

Репин Вячеслав Михайлович

Оптимизация обработки деталей сложной формы на трехкоординатных фрезерных станках с ЧПУ

Специальность 05.02.08 - Технология машиностроения

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель к.т.н., доцент Пономарев Борис Борисович

Иркутск 1999

Оглавление

Введение...........................................................................................................4

1. Общие положения теории обработки деталей сложной формы на фрезерных станках..........................................................................................7

1.1. Формообразование детали..................................................................7

1.2. Методы математического моделирования процесса формообразования.........................................................................................8

1.3 Формообразование деталей с поверхностями сложной формы на

трехкоординатных фрезерных станках с ЧПУ..............................................9

1.4. Точность формообразования............................................................12

1.5 Производительность формообразования деталей сложной формы при обработке на трехкоординатных фрезерных станках с ЧПУ 16

1.5.1 Понятие производительности формообразования...................16

1.5.2 Существующие методы повышения производительности формообразования........................................................................................18

1.6. Математическая модель поверхности детали................................20

1.6.1. Параметрическое представление поверхностей в CAD/CAM системе DUCT5..............................................................................................20

1.6.2. Дифференциальные характеристики поверхности детали.....26

1.7. Влияние траектории движения инструмента на производительность формообразования и оптимизация.........................30

1.8. Цель и задачи исследований............................................................41

2. Метод математической оптимизации траектории движения инструмента при чистовом фрезеровании деталей сложной формы на трех координатных станках с ЧПУ...............................................................43

2.1. Основы методики построения траектории движения инструмента....................................................................................................43

2.2. Используемые допущения.................................................................43

2.3. Основные положения методики........................................................44

2.4. Вектор направления движения инструмента...................................46

2.5. Вектор оптимального направления движения инструмента..........48

2.6. Критерий оптимальности типа и параметров стратегии чистовой обработки детали сложной формы..............................................................51

2.7. Методика определения оптимального типа и оптимальных параметров стратегии обработки в общем виде........ ..........................54

2.8. Определение оптимального угла растровой стратегии.................55

2.9. Определение оптимальных координат центра спиральной стратегии.........................................................................................................57

3. Программный модуль оптимизации стратегии обработки в приложении к CAD/CAM системе DUCT5 фирмы DELCAM......................59

3.1. Выбор пути реализации метода........................................................59

3.2. Алгоритм работы программы............................................................60

3.3. Подготовка исходных данных............................................................63

3.4. Порядок работы с программой..........................................................64

3.5. Описание программы.........................................................................69

4. Экспериментальные исследования.........................................................72

4.1. Методика эксперимента.....................................................................72

4.2. Изготовление тестовой детали.........................................................73

4.3. Измерение параметров шероховатости поверхностей деталей... 83

Библиографический список..........................................................................92

Приложение 1. Исходный текст программы mkcom..................................98

Приложение 2. Исходный текст программы optimill.................................101

Приложение 3. Акт о внедрении программы............................................177

Приложение 4. Акт о выполнении работ по отработке программы.......178

Приложение 5. Заключение по результатам измерений №1..................179

Приложение 6. Заключение по результатам измерений №2..................180

Введение

В настоящее время в машиностроении наблюдается тенденция повышения сложности геометрической формы производимых деталей. Это является следствием стремления повысить как качественные показатели использования деталей, так и эстетические свойства изделий в целом (требования дизайна). В качестве примера можно привести формообразующие детали штампов и пресс-форм. Часто такие детали имеют поверхности сложной формы, характеризуемые изменением радиуса кривизны и направления вектора нормали в широких пределах. Эти поверхности принято называть поверхностями свободной формы, или скульптурными поверхностями.

Для изготовления формообразующих деталей инструментальной оснастки в настоящее время широко применяются фрезерные станки с ЧПУ. Это связано с определенными достоинствами их применения. К таким достоинствам можно отнести: сокращение цикла изготовления деталей, снижение требований к квалификации рабочих, обеспечение повторяемости технологического процесса, уменьшение объема слесарно-доводочных работ. Существовавшие ранее сложности в подготовке управляющих программ для указанных станков сейчас успешно решаются с помощью современных графических систем автоматизированного проектирования (САПР).

Следует отметить, что основной парк фрезерных станков с ЧПУ на предприятиях России имеет три управляемые координаты.

Так как станки с ЧПУ являются дорогостоящим видом технологического оборудования, особое значение имеет задача повышения эффективности их использования.

Чистовая обработка деталей сложной формы на фрезерных станках с ЧПУ связана с преимущественно точечным касанием инструмента и детали в процессе обработки и, как следствие, с большой длинной траектории движения инструмента, а это требует времени. Для повышения производительности обработки на фрезерных станках с ЧПУ в первую очередь необходимо снижать время резания, так как оно колеблется в пределах 75-80% от общего времени работы [9].

Большое влияние на время резания оказывает траектория движения инструмента. Как правило, имеется множество вариантов траектории, при которой одна и та же деталь сложной формы может быть обработана. Варианты траектории образуются из номенклатуры стратегий обработки (растровая, спираль, радиальная и т.д.) и их возможных параметров (например, угол растра).

При удачном выборе параметров стратегии обработки в некоторых случаях можно достичь 50%-й экономии времени. Существующие подходы при назначении стратегии не позволяют обоснованно в автоматическом режиме решить задачу выбора её параметров, учесть взаимное влияние соседних строк. Решение этой проблемы в значительной степени лежит в области создания математической модели процесса оптимизации стратегий формообразования и разработки программных средств для анализа «электронной» модели объекта обработки. Процесс оптимизации должен учитывать требования к качеству поверхности, получаемой после фрезерования, поэтому в основе математической модели должны быть заложены критерии, учи-

тывающие допускаемую высоту возникающих макронеровностей.

Следует отметить, что в настоящее время ответственность за оптимальный выбор параметров стратегии лежит на технологе, в арсенале которого имеется лишь собственный опыт и тривиальный перебор вариантов. Расчет траектории движения инструмента требует больших вычислительных затрат, поэтому он занимает много времени (десятки минут), следовательно, перебор большого количества вариантов траекторий невозможен. Таким образом, разработка метода, позволяющего автоматически и быстро выбирать оптимальный тип и рассчитывать параметры стратегий чистового фрезерования деталей сложной формы на станке с ЧПУ, является актуальной проблемой.

1. Общие положения теории обработки деталей сложной формы на фрезерных станках

1.1. Формообразование детали

Формообразование детали представляет собой процесс внедрения режущих частей инструмента в материал заготовки и его срезание в виде стружки [11]. В результате резания происходит образование поверхности детали. Поэтому форма обработанной поверхности детали будет определяться формой и размерами режущих кромок инструмента и движениями его относительно заготовки. Помимо этих двух основных факторов на форму поверхности детали оказывает влияние множество сопутствующих явлений: деформация системы СПИД, точность станка, соответствие формы режущей части инструмента теоретически задаваемой, износ инструмента, точность его установки и т. д. В свою очередь, эти факторы зависят от режимов резания, материала детали, материала инструмента и многого другого, что в итоге определяет технологию обработки детали. Так как учет всех параметров технологического процесса, влияющих на форму и качество обработанной поверхности детали, является сложной задачей, то в основу существующих математических моделей процесса формообразования заложен "идеальный" технологический процесс. Так, С.П. Радзевичем в [22] приведено основное обобщающее допущение, принимаемое при исследовании формообразования поверхностей деталей: "Технологическая система (станок - приспособление - инструмент - деталь) и окружающая технологическая среда в процессе обработки пассивны и не оказывают на деталь влия-

ния, не предусмотренного кинематической схемой формообразования". При таком допущении формообразование отражает только геометрическую сторону процесса изготовления деталей.

1.2. Методы математического моделирования процесса

формообразования

Существуют две основные математические модели формообразования [4]: кинематическая и модель, основанная на огибающей поверхности.

В первой модели процесс обработки рассматривается как образование поверхности детали характеристическим образом инструмента в виде точки, линии или поверхности при его движении относительно заготовки. Любую поверхность можно представить в виде производящей линии (образующей), меняющей свою форму и движущейся вдоль направляющей линии. В качестве образующей линии принимается характеристический образ инструмента, а в качестве направляющей выступает траектория его движения.

Характеристический образ инструмента отражает его общие геометрические свойства, существенные для представления процесса формообразования поверхности. Например, характеристический образ в виде окружности соответствует концевой сферической фрезе, дисковой торовой фрезе, фасонному резцу для обработки торовых поверхностей и т.д. "Характеристический образ инструмента плюс его положение и перемещение в пространстве задают общую схему формообразования" [6].

Во второй модели формообразования номинальная поверхность инструмента (без учета режущих элементов) рассматривается как огибающая поверхности детали или поверхность детали рассматривается как огибающая поверхности инструмента. Данная модель более реальна по сравнению с первой, но и более сложна, ее широко используют в теории проектирования режущего инструмента [15, 26 , 17].

Кроме того, существует модель, основанная на многопараметрических отображениях [16]. В этой модели деталь, инструмент и их движение описываются общим уравнением отображения. В данной диссертационной работе для исследования процесса формообразования используется кинематическая модель.

1.3 Формообразование деталей с поверхностями сложной

формы на трехкоординатных фрезерных станках с ЧПУ

"Поверхность сложной формы - это такая поверхность, в дифференциальной окрестности каждой точки которой главные кривизны от одной ее точки к другой бесконечно близкой точке изменяются либо по величине, либо по ориентации главных секущих плоскостей, либо по величине и ориентации главных секущих плоскостей одновременно" [22]. В качестве примера таких деталей можно привести формообразующие детали штампов и пресс-форм. Для формообразования поверхностей двойной кривизны в настоящее время широко используются фрезерные станки с ЧПУ, позволяющие обеспечить повторяемость технологического процесса кроме того, наличие современных графических CAD/CAM систем привело к заметному упрощению подготовки управляющих программ. Немаловажным фактором

является снижение объемов слесарно-доводочных работ. Следует отметить, что основной парк фрезерных станков с ЧПУ на предприятиях России имеет три управляемые координаты, более дорогостоящие пятикоординатные станки еще мало распространены, хотя их применение для обработки деталей сложной формы более предпочтительно. Рассмотрим некоторые особенности применения трехкоординатных фрезерных станков с ЧПУ трех координатных фрезерных станков с ЧПУ.

Существуют три основные вида касания инструмента и детали [22] (рис. 1.1): точечный, линейный и поверхностный. Так как радиус кривизны поверхности изменяется от точки к точке, а форма инструмента может быть принята условно неизменной, то наиболее распространенным видом касания поверхности инструмента и детали является точечное. Известно [22], что в точке контакта поверхности инструмента и детали имеют общую касательную плоскость, то есть их нормали коллинеарны (рис. 1.2).

Рис. 1.1. Виды касания инструмента с деталью: а - точечное; б - линейное; в - поверхностное; 1 - инструмент; 2 - деталь

Рис. 1.2. Точечное касание инструмента с деталью: 1 - деталь; 2 - инструмент; 3 - касательная плоскость (лд - нормаль к поверхности детали; пи -нормаль к поверхности инструмента)

Так как направление вектора нормали к поверхности двойной кривизны изменяется в широком диапазоне от точки к точке, то и нормаль к поверхности инструмента должна изменяться в этом же или в большем диапазоне для обеспечения возможности формообразования детали. Кроме того, форма инструмента должна обеспечивать отсутствие зарезов поверхности детали, что вызывает необходимость использования специальных фасонных фрез. В качестве примера можно привести набор фасонных фрез, поддерживаемых программным продуктом Ро\л/егМ11_1_ фирмы ОЕ1_САМ (рис. 1.3).

Наиболее распространенным фасонным инструментом для чистового фрезерования поверхностей двойной кривизны является шаровая фреза. Некоторые инструментальные фирмы централизованно выпускают шаровые фрезы, в том числе и с твердосплавными пластинами. Фасонный инструмент другой формы изготавливается из быстрорежущей стали, как правило, на предприятиях производящих детали основного производства и технологическую оснастку.

Так как направление оси инструмента при формообразовании на трехкоординатных фрезерных станках с ЧПУ неизменно, то невозможно производить обработку поднутрений (участки поверхности детали с отрицательной т. координатой нормали),

что является основным недостатком таких станков по сравнению с пятикоординатными. Недостатком является также отсутствие возможности ориентировать ось инструмента в пространстве так, чтобы оптимально осуществлять процесс формообразования.

а

Рис. 1.3. Типы фасонных фрез, поддерживаемые Ро\л/егМ11_1_

Точечное касание инструмента и детали в процессе формообразования приводит к тому, что на поверхности детали образуется огранка, так называемый остаточный гребешок.

1.4. Точность формообразования

При формообразовании деталей сложной формы на фрезерных станках с ЧПУ к качеству получаемых после обработки поверхностей предъявляются как общие требования по шероховатости и волнистости, так и специфическое требование - допустимая высота остаточного гребешка [6, 7, 8, 9, 26]. Возникновение остаточного гребешка является особенностью объемного фрезерования и заложено в самом принципе обработки. Так как при объемной обработке происходит точечное касание инструмента и детали, то инструмент формообразует деталь,

перемещаясь по строкам траектории, расстояние между которыми определяется допускаемой высотой остаточного гребешка и формой детали и инструмента, вследствие чего результирующая поверхность детали приобретает некоторую огранку. Остаточный гребешок нельзя однозначно отнести к шероховатости или волнистости, так как его величина и шаг колеблются в широких пределах. Допустимая величина остаточного гребешка в одном случае может составлять сотые доли миллиметра, а в других - несколько миллиметров.

При объемном фрезеровании для обеспечения заданного требования к остаточному гребешку необходимо корректировать шаг между соседними проходами инструмента в зависимости от кривизны поверхности детали. Влияние кривизны поверхности детали на шаг межу проходами проиллюстрировано на рис. 1.4. Шаг между проходами наибольший при обработке вогнутой и наименьший - при обработке выпуклой поверхности.

При использовании шаровой фрезы шаг между проходами вычисляется по формуле [1]

S = AB = р-а = 2- р• arccos

V

(р + г)2 +(p + h)2 - г 2{p + r\p + h)

/

(1.1)

где р- радиус