автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение эффективности расчета сборных дисковых фрез для обработки шеек коленчатых валов на основе компьютерно-ориентированного моделирования

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "СТАНКИН" о Г С

ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ РАСЧЕТА СБОРНЫХ ДИСКОВЫХ ФРЕЗ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ШЕЕК КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ НА ОСНОВЕ КОМПЬЮТЕРНО-ОРИЕНТИРОВАННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ

Специальность 05.03.01 "Технологии и оборудование механической н физико-технической обработки "

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

РГБ ОД

1 а '/„м ш

На правах рукописи

Куц Вадим Васильевич

Москва 2000

Работа выполнена на кафедре "Металлорежущие станки и инструментъ Курского государственного технического университета

Научный руководитель: Кандидат технических наук,

докторант МГТУ "СТАНКИН" С.Г. Емельяпо!

Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор

МГТУ "СТАНКИН" Т.А. Султанов

Кандидат технических наук, доцент

ТулГУ Е.В. Серова

Ведущее предприятие ОАО "Белгородский завод фрез'

ОАО "Геомаш"

Защита состоится "-/У" 2000 г. в_часов на заседании дис-

сертационного совета К063.42.05 МГТУ "СТАНКИН"

Отзыв (в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения) просим направлять по адресу: 103055, г. Москва, Вадковский пер. д. За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МГТУ "СТАНКИН" за 10 дней до защиты

Автореферат разослан "/У "д^Аг-^? 2000 г.

Ученый секретарь диссертационного совета к.т.н., доцент /Г ' Ю.П. Поляков

КШ-001Ч2 -56-02-5-05,0 К722.536.425-1с 116,0

туалыюсть темы. Появление новых конструкционных материалов, а также но-\ инструментальных материалов ставит остро вопрос о создании новых опти-тьных конструкций металлорежущего инструмента. Особенно это касается вопро-i проектирования сборного металлорежущего инструмента предназначенного для эаботки поверхностей сложной формы, который имеет достаточно сложную кон-»укцию.

К инструментам такого типа относятся сборные дисковые фрезы для обра-гки шеек коленчатых валов. Процесс проектирования данных фрез включает рения ряда .вопросов связанных с их конструкцией, изготовлением и эксплуатацией, инственный отечественный производитель данных фрез, АО "Белгородский завод 2з", либо осуществляет покупку готовых технологий, либо пользуется методами оматизированного проектирования, которые по своей сути являются упрощен-ми схемами решения отдельных инженерных задач.

Современное инструментальное производство требует решения вопросов ютруирования, изготовления и эксплуатации металлорежущего инструмента в гном комплексе, для чего необходима разработка новых методов расчета, позво-ощих на стадии проектирования решать задачи изготовления инструмента и пробирования его работоспособности. Решение подобных задач требует высокой пени математической формализации методов проектирования и максимальной {фикации решения отдельных задач проектирования. В настоящее время таких годов проектирования сборных дисковых фрез для обработки шеек коленчатых гов у нас в стране нет. Иностранные фирмы производители данного инструмента, не как "Heinleine", "Krupp Widia" вопросы проектирования и изготовления дан-х фрез объявили как "ноу-хау".

Внедрение подобных методов проектирования на инструментальных пред-штиях позволит обеспечить: сокращения сроков разработки; повышения эксплуа-;ионных качеств инструментов; сокращения материальных и энергетических за-т путем численного моделирования работы инструментов; объединения расчет-ч программ и управляющих программ для станков с числовым программным »авлением (ЧПУ).

В данной работе осуществлена разработка формализованной математиче-й модели проектирования и изготовления сборных дисковых фрез для обработки >енных и шатунных шеек коленчатых валов, в которой были учтены требования ременного инструментального производства. Проведение подобных разработок яется одним из путей обеспечения машиностроения высокопроизводительным <ущим инструментом и является на данный момент времени актуальным направ-ием.

Делыо работы является снижение трудоемкости проектирования и изго-ления сборных дисковых фрез для обработки шеек коленчатых валов на основе шьютерно-ориентированной математической модели

Автор защищает.

1. Общий подход к проектированию сборных дисковых фрез для обработки шсс коленчатых валов выполненный в рамках геометрической теории формирован» поверхностей.

2. Математическую модель проектирования и изготовления данных фрез, объеди няющую в единый комплекс технические и технологические закономерности.

3. Алгоритмы и программы, образующие систему проектирования и изготовлени сборных дисковых фрез для обработки шеек коленчатых валов.

4. Программное обеспечение для проектирования и изготовления фрезы.

5. Результаты компьютерного моделирования процесса работы фрезы и полученны при этом значения оценочных характеристик.

Научная новизна. Заключается в:

1. математической модели проектирования и изготовления сборных фрез для обрг

ботки шеек коленчатых валов учитывающей значения оценочных характер* стик процесса формообразования шейки вала.

2. алгоритмах для проектирования, численного моделирования работы и изгото! ления сборных фрез.

Методы исследования.

Исследования выполнены на методологической основе общего подходг проектированию сборного инструмента с привлечением методов векторно-матричг алгебры и дифференциальной геометрии, использовались методы преобразова* аффинных пространств. А также интерактивного метода поиска технических per ний и с использованием результатов теории проектирования металлорежущего ин румента. Сама процедура проектирования и изготовления оформлена в виде систе! автоматизированного проектирования и изготовления (CAD/CAM системы) на б персональных компьютеров, обрабатывающих центров и станков с ЧПУ.

Практическая ценность.

Практическая ценность данной работы состоит в разработанных програми ных средствах проектирования и изготовления сборных фрез для обработки шее коленчатых валов. Которые позволяют на основе конструктивно-технологически данных шейки вала, функциональных и технологических параметров станков, диалоговом режиме сконструировать фрезу, смоделировать ее работу и оценю результаты проектирования, а также в автоматизированном режиме подготовил управляющие программы для станков с ЧПУ при обработке:(корпуса и кольца фр< зы.

Практическая реализация.

Реализация работы проведена на предприятиях ОАО "Белгородский завод фрез" г. Белгород и ОАО "Геомаш" г. Щигры.

Апробация работы.

Основные положения работы были доложены и обсуждены на Междуна-дной юбилейной научно-технической конференции «Вопросы совершенствования теологических вопросов механической обработки и сборки изделий машино-роения»: ТулГУ: 1996, VI Российской научно-технической конференции «Мате-алы и упрочняющие технологии -98»: Курск: КГТУ, I Всероссийской научно-шической конференции "Компьютерные технологии в науке, проектировании и оизводстве":Нижний Новгород: НГТУ, 1999.

Публикации.

По материалам проведенных исследований опубликовано 7 работ. Структура п объем работы.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка ис-льзованных источников из 53 наименований и приложений. Работа содержит 195 э. машинописного текста, 64 рисунка и 23 таблицы.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

В первой главе дается анализ методов кругового протягивания шеек колен-гых валов и конструкций сборных дисковых фрез для обработки шеек коленчатых тов.

Метод точения наружными протяжками был запатентован в конце 30-х го-в, но первые попытки его реализации были сделаны лишь в 70-х годах, а в 80-х 1ах данный процесс был внедрен в автомобильную промышленность. В автомо-чьной промышленности метод кругового протягивания применялся в основном I обработки шеек коленчатых валов.

Существуют три основные схемы кругового протягивания (рис. 1): протяги-ше плоской протяжкой (см. рис. 1,а); протягивание ротационной протяжкой спи-гевидной формы (см. рис. 1,6); обработка фрезой (см. рис. 1,в). Подача инстру-нта осуществляется по касательной к периферии вала, поэтому фактически проводит тангенциальное точение, при котором каждая пластина начинает резание с гевой глубиной, которая постепенно увеличивается, некоторое время остается гги постоянной и затем уменьшается. Этим точение протяжками отличается от щиционных методов обработки коленчатых валов точением, когда каждый из ин-»ументов одновременно врезается в заготовку и каждый инструмент выполняет габотку на полную глубину.

гма протягивания плоской протяжкой состоит из двух движений, вращения вала

.2 и поступательного главного движения протяжки О ,.1 , где Б-указывает на

1 11

окение по направляющей (зависимое движение, нижний индекс 1); / - главное окение независимое от параметров формируемой поверхности (нижний индекс 2), также на вращательное движение (*2) или прямолинейное (*1). Обра-ка плоской протяжкой наряду с высокой производительностью име-

Рис. 1. Схемы кругового протягивания

ст ряд недостатков, которые сделали эту схему протягивания малоиспользуемо! т.к. увеличение снимаемого припуска и стремление к увеличению стойкости инсл румента путем сокращения нагрузки при резании приводят к увеличению линейны размеров протяжки. Это приводит к необходимости увеличения габаритов стан к; Наличие "мертвого хода" и более низкая жесткость и надежность системы привод подач, по сравнению с другими видами протягивания, отодвинули данную схему н второй план. Определенную проблему создает и отрицательный передний угол, мс няющийся при резании. В зависимости от обрабатываемого диаметра и величии подъема на зуб он может бьггь -35° и менее. При черновой обработке подъем на зу порядка 0,5 мм совместно с отрицательным передним углом приводит к возникнс вению значительных изгибающих усилий, которые могут вызвать вибрацию. Схема обработки ротационной протяжкой спиралевидной формы (см. рис. 1,6) та! же состоит из двух движений, но у нее поступательное главное движение протяжк заменено вращательным Б ,.2 . Данная схема позволяет устранить, в какой-то стс

У2

пени, вышесказанные недостатки первой схемы протягивания и является наиболс производительным и надежным способом обработки. Станки, работающие по да1 ной схеме, обладают высокой долговечностью и виброустойчивостью, длительны ресурсом по точности, несложными системами управления. Снижение нагрузки и вал и инструмент позволяет использовать сравнительно большие подачи и скорост резания. В этом случае частота вращения шпинделя может доходить до 120 об/мин, а скорость резания - 300-400 м/мин. Область применения данной схемы крупносерийное и массовое производство.

Схема обработки фрезой (см. рис. 1,в), сочетает в себе три движения: вра-

ние вала Ос.2 ; вращение фрезы Б ; а отсутствие у фрезы подъема на зуб тре-

/2

гт наличия движения подачи , где I - обозначает движение подачи сближения струмента с формируемой поверхностью . Данная схема обработки, также устра-гт недостатки плоской протяжки. Эта схема отличается высокой универсально-зЮ, однако, наличие дополнительного движения приводит к увеличению помогательного времени. Для устранения этого недостатка увеличивают скорости ?ания и ускорения установочных движений. Отсюда возможность ускоренного тоса элементов привода и направляющих, потеря точности станка. Поэтому этот год обладает более низкой точностью и шероховатостью, а при некоторых усло-их низкой производительностью.

Для увеличения производительности осуществляют одновременную обра-гку всех шеек коленчатого вала комплектом данного инструмента (2-мя - 3-мя езами). Настройка фрезы на размер осуществляется вне станка. Область примене-я: мелкосерийное и серийное производство.

На основании проведенного анализа конструкций сборных дисковых фрез

б)

Рис. 2. Фрезы для наружного фрезерования

для обработки коренных и шатунных шеек коленчатых валов можно выделить фрс зы, как наружного, так и охватывающего фрезерования. Фреза с наружными зубья ми (Белгородского завода фрез, блочно-клиновой вариант), представлена на рис. 2,; Фреза, блочно-клинового варианта, состоит из корпуса, который соединяется с дву мя кольцами, при помощи соединительных винтов, втулок и штифтов, образу сборную конструкцию. Число колец может быть от одного до двух в зависимости о ширины шейки коленчатого вала. Режущие пластины в корпусе зажимаются клн ном, что обеспечивает: высокую жесткость, стабильность точностных параметреI ремонтопригодность.

На рис. 2,6 представлен кассетный вариант данной фрезы. Кассетный вари ант фрез имеет пластины с центральным тороидальным отверстием. Данная фрез состоит из корпуса в пазы которого вставляются кассеты с уже закрепленными пла станами. Диаметр фрез для наружного фрезерования достигает 1800 мм. Фрезы дл охватывающего фрезерования применяются, как правило, для обработки боле крупных валов. Блочно-клиновой вариант этих фрез представлен на рис. 3,а кассет ный вариант - на рис. 3,6.

Возможность изготовления коленчатых валов из различных материалов,;

б)

Рис. 3. Фрезы для охватывающего фрезерования

также появление новых инструментальных материалов ставит остро вопрос :оздании новых оптимальных конструкций фрез. Это обстоятельство и определи-| тематику данной работы.

Во второй главе приводятся основные положения построенной математи-ской модели проектирования сборных дисковых фрез для обработки шеек колен-тых валов.

Система проектирования, изготовления и эксплуатация режущего инстру-:нта рассматривает инструмент в системе его функционального назначения, опре-ляя связь его отдельных элементов конструкции (например, сменной многогран-й пластиной) с производящими элементами, а последние с параметрами форми-емых поверхностей.

Рассмотрим в рамках единой системы (рис 4): коленчатый вал, станок, фре-станок 2-го порядка и приспособление 2-го порядка. Математически данный мплекс объектов описывается графом переходов (см. рис. 4). Каждому объекту дается система координат, а связи между объектами описываются в виде матриц реходов

м

12

(х,у,2,рх,ру>р2) =

1 0 0 0 '1 0 0 0 СОяРу 0 - БШ Ру 0"

0 1 ' 0 0 0 созрх эшрх 0 0 1 0 0

0 0 1 0 0 - 5тРх соэрх 0 БШру 0 сое Ру 0

- X -у -г 1 0 0 0 1 0 0 0 1

СС^Рг 5тР2 О О — 5111 Рг созР2 О О О 0 10 О 0 0 1

где

х, у, г - координаты начала второй системы координат относительно первой; Рх,Ру,Р2- углы последовательных поворотов второй системы координат

круг собственных осей.

Рассчитываем связи между коленчатым валом, шейкой вала, производящей верхностью фрезы, образующими производящей поверхности и сменными много-анными пластинами. Данная взаимосвязь описывается на графе переходов (рис. 5). пользуя представленные на графе связи рассчитаем поверхности описываемые жущими кромками сменных многогранных пластин фрезы в процессе обработки йки коленчатого вала по формуле

I. < Эь. < Эь шш * шах

„ . <1п <1п ,п = йк

11 ттпп 11 "тич

Рис. 4. Граф проектирования сборных дисковых фрез для обработки

шеек коленчатых валов

;е - длина дуги режущей кромки к -й сменной многогранной пластины; гк (Чк -я режущая кромка;

- матрица перехода от системы координат XCk¡¡Yc^ZC|_p Ар -й режущей юмки к системе координат производящей поверхности инструмента, рав-

1я Мг о = М~1 _ (см. рис. 5);

^"Р'5 йТ^р

" матрица перехода от системы коорди-1Т инструмента в момент времени I с начала обработки, к системе

юрдинат шейки коленчатого вала с учетом выполняемых фре-

Коленчатый вал г

т

г'

-л Установка шейки

____________

Шейка вала I

Сборный корпус фрезы Г

ХАУА2А

Производящая | поверхность фрезы ,Г

Ар-я образующая I производящей поверхности I

Установка I ы

гроизводящей поверхности I-тА8

относительно корпуса )

М.

*Р

I Установка |

"1 профильной шгоскосп^

ХрУрЕр -[ Профильная плоскость|

Установка

1

[производящей поверхности ! относительно шейки у

Установка Ар-й 1 образующей производящей поверхности у

Ар-я

[ МНОГ(

пластаны

сменной многогранной [-

мгДтсАр

Хс^с^кр

_[ Установка Ар-й ]

I сменной многогранной |

пластины

Рис. 5. Граф установки производящих элементов фрезы для обработки шеек коленчатых валов

зой и валом движений;

Л/др- матрица перехода от системы координат шейки вала ХдУдЕд :

системе координат контрольной плоскости ХрУр2р .

Рассчитаем следующие производные поверхности, описанной режущим! кромками сменных многогранных пластин фрезы:

1) производная по длине дуги режущей кромки сменной многогранной пластины

2) производная по параметрам движёния фрезы и вала

3) производная по времени (характеризующая суммарный вектор скорости

__N __р.

к,Ч(1),...,1К(I)] = £ &р1п , 11 К(I), где Уп(0■= -п..

п = 1

Расчет этих формул связан с последовательньш определением их состав ляющих.

Рассчитаем параметры дискретного представления профиля образующе! производящей поверхности фрезы {х0рУо^ст0яРоя5оД_[7> где xoj>Уoj - коорди

наты j-й точки; с^ - профильный угол; - радиус кривизны; - длина дуги j

го участка профиля; I - число точек дискретного представления. Исходными дан ными для данного дискретного представления является часть конструктивных па раметров шейки коленчатого вала.

Зададим число рядов сменных многогранных пластин (к) вдоль про4)ил шейки коленчатого вала (минимальное число 4). А также число сменных много гранных пластин в каждом ряду распределенных по диаметру производящей по верхности фрезы (р). При этом каждой Ар-й сменной многогранной пластине по ставлена в соответствии /ф -я образующая производящей поверхности.

Для выбранных сменных многогранных пластин с заданными размерам] рассчитываются параметры дискретного представления их режущих кромо:

, где N^«,N3^ - вектор,

нормали к передней и задней поверхности в ¡-х точка профиля; N1^1,N3^; - про

изводные векторов нормали к передней и задней поверхности по длине дуги режу щей кромки к-й сменной многогранной пластины.

Сменные многогранные пластины устанавливается относительно своа дискретно представленной образующей производящей поверхности исходя из уело вий контакта её }-я точки и гарантированных значений трех углов в точке контакте)

у} переднего угла, ^ угла наклона режущей кромки, фд- главного угла в пла

В результате рассчитываются матрицы перехода между образующими произволен поверхности фрезы и сменными многогранными пластинами Мгкск ■

При этом режущие кромки сменных многогранных пластин не будут точно :производить конструктивные параметры шейки коленчатого вала (рис. 6). Для гранения данного недостатка положения сменных многогранных пластин-, а точ-их матрицы установки > корректируется на рассчитанные величины сме-

"1 ООО" О 1

НИИ

Дх

О

-Дх

0

1 О

ИЛИ

Ду

-1

Т*с4

= м:

1 0 0 0

0 1 0 0

0 0 1 0

0 -Ду 0 1

определим по производящей поверхности ее образующие с заданным шагом

1С. 7.), что позволяет рассчитать матрицы установки сменных многогранных пла-ш относительно производящей поверхности

Рис. 6. Расчет величиндх и Ду

мс^=м;

кр

П=1

• м:

тЬ

1 р:=1.Рк

к:=1,К

.Б'кр - начальный шаг установки образующей производящей поверхности.

Рис. 7. Распределение сменных многогранных пластин по производящей поверхности

Движение производящей поверхности фрезы относительно шейки вала в процесс фрезерования описывается переменной во времени матрицей переход

(рис. 8). Расчет матрицы связан с выбс ром схемы фрезерования, которой соответствуют свой набор движени ^(О,...,^^) и способ их исполнения. В общем случае для различных видов фрезе рования шеек коленчатых валов, наружного (см. рис. 8,а,б) и охватывающей

г

рис. 8,в), параметры движений имеют вид (у^), ^ ((), ^ (г), тогда матрицу ^1[1/(1)'Ч(1)'182(0]>---.Чб[1/(0,181(0,182(1)] или точнее шесть параметров

ггановки рассчитаем как х

4i

= 4 / (О ts, (t), ts2 (t)]=Ra cos[t f (t)+tSj col j = I У = У[t/ (0 tSl (t), tS2 (t)]=Ra sin[t/(t)+ tSz (t)l j = 2, z = z[t f (t), ts, (t), tSj (t)]= const = zH y, j = 3,

Px = Px [t/-(tX ts, (tX ts2 (t)]= const = PX.H, j = 4, ßy = ßy t/(0 ts, (t), ts2 (t)]= const = ßy.H, j = 5,

ßz=ßz[t/(t),tSl(t),tS2(t)]=tSl(t)-t/(t), j = 6,

t/(t), tS[ (t), tSj (t)- соответственно параметры главного движений фрезы и вспомогательных движений фрезы и вала; RA - радиус вращения шатунной

D4 D

шейки (см. рис. 8,а) относительно фрезы (R А = +);

zH у, ßx н , ßy н - параметры начальной установки. Параметр главного движения t j-(t) выразим, как: t^(t)= t у„ + 2лп ft, где - параметр начальной установки; п^ - частота вращения фрезы; t - время с на-i обработки.

Параметр движения tSi (t) выразим, как: tS[ (t) = tSl„ +2tciiS|1 . где tSi„-

шетр начальной установки; - частота вращения обрабатываемой шатунной

ки (см. рис. 8,а,б) или частота вращения фрезы относительно шейки при охваты-щем фрезеровании (см. рис. 8,в).

Параметр движения tSo (t) кинематически связанный с параметром tSi(t),

53 передаточное отношение is =—учитывается только при наружном фрезе-

ra

шии шатунной шейки (см. рис. 8,а) и равен:

ts2 (t) = is - ts, (0=^*8, (t) = |s-tSlH. +^-2лп8 t, кА кА кА

Rn - расстояние между коренной и шатунной шейкой.

Процедура проектирования на этом заканчивается и начинается численное елирование процесса работы фрезы, заключающееся в следующем:

моделируя процесс обработки, выполняется расчет оценочных параметров ¡аемых слоев для различных сменных многогранных пластин ij, 0, b/ф (t), l(Sfrj), Skp (t), Skp (sk ) (толщины, ширины, длины, площади поперечно: продольного сечения);

ЯА =

Рис. 8. Схемы расчета матрицы для различных видов фрезерования

шеек коленчатых влов

считываются изменения углов вдоль режущих кромок сменных многогранных стин Укр(5кр1),акр(5кг1)Лкр(<;ф1) (переднего, заднего и угла наклона режущей

мки);

рассчитываются параметры остаточных гребешков на поверхности щеки •(Кщ^КгТ^щ), где IIщ- радиус щеки, и шейки 82Х(НШ), 112Х(НШ), где Нш -рина шейки.

Третья глава диссертации посвящена разработке математической модели отовления сборных, дисковых фрез для обработки шеек коленчатых валов.

Математическая модель изготовление фрезы реализуется через графы кон-укции фрезы и наладки станков. Граф конструкции фрезы включает множество ов, таких как корпус и кольцо фрезы, сменные многогранные пластины, запи-)щие клинья сменных многогранных пластин, дифференциальные винты, кре-сные и соединительные элементы кольца фрезы.

Представим узлы корпуса и кольца фрезы, как вложенные графы, в которых сматривается связь образующих элементов конструкции корпуса и кольца под-сащих обработке на станке 2-го порядка (рис. 9).

Относительно корпуса и кольца фрезы рассчитываются матрицы установки: пазов сменных многогранных пластин

маа1кр =М^крАМСкрА1кр, Мв.А1кр =Мв.АМс1крАМСкрА]кр;

пазов для установки запирающих клиньев сменных многогранных пластин

МдА2кр =М2крАМСкрА2кр.МВ^2кр = ^Мс\рАМс*РА2* ;

отверстий для крепления запирающих клиньев

Мааз* =мскрАМскрАЗкр , Мв.А31ф =Мв.АМ^крАМС1рАзкр;

стружечных канавок

мда^ =м^рамс1фа4кр , мв.а41р =Мв.АМ^АМСкрА4кр;

Выстраивая рассчитанные матрицы в порядке очередности обработки эле-ггов конструкции ]м' [ _ _ _ и ]М'в \ _ _ _,

г = 1, Я-число типовых элементов конструкции корпуса фрезы, получим после-ательность операций (в соответствии индексу составляющих технологический цесс обработки корпуса и кольца фрезы. Переход от операции к операции сопро-дается наладкой станка при смене оборудования и переналадкой - в случае ис-ьзования того же оборудования. Параметры наладки могут быть произвольным азом распределены между станком (ацср>—>апкр) и приспособлением

ср '■•■'Ршкр )> гДе п+т=6. При использовании 5-ти координатного станка шесть аметров наладки будут полностью реализованы станком.

I кольцо фрезы

I__________

Корпус

кр-я

| сменнная многогранная ' пластина

М

ДА

Л

МСк?А

Оринтирование паза \ под клин Г

Паз под клин

Мп. А?,

_

СкрА^ь,-

Ориентирование паза V под пластину

Хл^А^А!*,,

Г

Паз под пластину

(Ориентирование отверстия

М

Л>АЗ>*

-м

JОриентирование стружечной __^анавки_____

{ Отверстие для

I крепления клина 1

ХдзУдзг^

ХД^а^А^

Стружечная канавка

Рис. 9. Граф элементов корпуса сборной дисковой фрезы для обработки шеек коленчатых валов

При реализация параметров наладки на станке (ХуУуЕу) и приспосо! лении 2-го порядка корпус инструмента займет такое положение,

котором будет возможно выполнение параметризованных программ обработки е] элементов. Необходимо решить матричное уравнен]

МААг1ф) "MVVVkpMVWMW\vЧalkp>•••>ankp)MW•AJЧ\7v(Plkp^••.,Pmkp) ОТНОС]

тельно параметров а^р,...^^ и Рцф.-.Рткр > где

- матрица установки системы координат XуГкр ^уГкр ^угкр зон

обработки станка относительно системы координат ХуУуТу станка 2-го порядка

- матрица установки системы координат Ху^Х^Хут приспособл

ния станка относительно системы координат ХуУуХу станка 2-го порядка;

М\¥\у.(а1кр,...,апкр) - матрица определяющая перевод приспособления,

закрепленным в нем корпусом в новое положение обозначенное штрихом, при обр ботки значений параметров наладки станка а^р,...,«,^;

М\у'д - матрица установки системы координат ХдУЛ2А корпуса фре: относительно системы координат приспособления станка;

-^АА'Фиср'-'-'Рткр) " матрица определяющая перевод корпуса фрезы в эе положение обозначенное штрихом, при обработки значений параметров наш приспособления Рц,р,...,Рткр.

[ использовании 5-ти координатного станка необходимо решить уравнение

Ч.-1

\AifcpJ = му\"г1р ^ аа' (а1кр >■ ■ а пкр) относительно параметров а1кр,...,апкр.

При этом система координат обрабатываемого элемента ХЛг^ Уд^^д^

вдет с системой координат зоны обработки ХуГкр ^у^^у^ на станке второго

вдка и матрица МдГ[ру'гкр станет единичной.

По значениям конструктивных параметров обрабатываемых элементов рас-гывается траектория движения инструмента 2-го порядка и подготавливается авляющая программа для станка с ЧПУ.

В четвертой главе рассматривается пример использования созданной сися автоматизированного проектирования и изготовления сборных дисковых фрез обработки шейки коленчатого вала (рис. 10.). Показаны этапы задания исходных шх проектирования фрезы.

Диаметр производящей поверхности проектируемой фрезы задан равным

мм.

Вдоль профиля шейки коленчатого вала размещены четыре пластины с одинаковыми размерами (рис. 11.).

Углы установки сменных многогранных пластин заданы

равными а = -29°, 'к = -7 у всех пластин и ср = 90° для сменных многогранных пластин формирующих поверхность шейки, а для пластин формирующих

поверхность щеки <р = 80°. Число пластин в каждом ряду (к) задано равным 2.

Также в работе приведены результаты численного моделирования процесса обработки шейки коленчатого вала для заданной конструкции фрезы и заданных режимах

0200

Рис. 10. Эскиз шейки коленчатого вала

обработки. Результаты моделирования представляются в виде таблиц и графиков.

В заключении рассмотрен пример расчета параметров наладки горизонтального многоце-левого-сверлильно-фрезно-расточного станка ЧПУ мод. ИР-800 и делительной головки мод. УДГ Н-160 для обработки элементов корпуса и кольца фрезы. В автоматическом режиме составляются управляющие программы обработки корпуса и кольца фрезы.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Анализ методов токарного протягивания шеек коленчатых валов, а также мет< дов проектирования сборных дисковых фрез для обработки шеек коленчатых валов показал актуальность тематики данной работы.

2. Разработаный компьютерно-ориентированный математический аппарат проек тирования сборных дисковых фрез для обработки шеек коленчатых валов позволяет:

❖ по заданным режимам обработки рассчитать численные значения оценочн: характеристик работы проектируемой фрезы;

❖ рассчитать параметры наладки различных моделей станков и приспособлен 2-го порядка.

3. Разработанные алгоритмы легли в основу ядра системы автоматизирование проектирования и изготовления позволяющей в диалоговом режиме выполш и контролировать каждый этап проектирования.

4. Разработаная и принятая к внедрению на ОАО "Белгородский завод фрез" а тема автоматизированного проектирования и изготовления данных фрез поз] ляет:

❖ проектировать фрезы для обработки различных по размеру шеек коленчат] валов;

❖ проектировать фрезы как наружного, так и охватывающего фрезерования;

❖ проектировать фрезы со сменными многогранными пластинами различи формы и размеров;

5. Разработанная методика проектирования и изготовления сборных дисков] фрез для обработки шеек коленчатых валов является открытой для внедреши нее результатов новых исследований в области теории резания и формообра: вания.

многогранных пластин

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

Емельянов С.Г., Куц В.В., Михайлова С. А. Укрупненный алгоритм автоматизированной технологической подготовки производства сборного металлорежущего инструмента. Международная юбилейная научно-техническая конференция «Вопросы совершенствования технологических вопросов механической обработки и сборки изделий машиностроения»: Тезисы докладов -Тула: ТулГУ, 1996, с. 76

Емельянов С.Г., Куц В.В. Графовые модели конструирования и изготовления сборных дисковых фрез. // СТИН. -1999 г.- № 5. - с. 20-22. Емельянов С.Г., Куц В.В., Широконосов Ю.Г.

Использование параметризованных программ обработки гнезд под сменные многогранные пластины в CAD\CAM системах сборного металлорежущего инструмента. VI Российская научно-техническая конференция «Материалы и упрочняющие технологии -98»: Тезисы докладов -Курск: КГТУ, 1998, с. 70 Емельянов С.Г., Куц В.В. Моделирование процесса обработки шейки коленчатого вала сборной дисковой фрезой, оснащенной сменными многогранными пластинами. И Техника машиностроения. -1999 г. - № 2. - с. 28-31. Емельянов С.Г., Куц В.В,, Горохов A.A. Расчет дискретного представления производящей линии инструмента в CAD/CAM системе трехсторонней сборной дисковой фрезы. // Информатика-Машиностроения. -1999 г. - № 2. - с. 23.

Емельянов С.Г., Куц В.В., Сорокина О.С. Расчет положения и ориентации сменных многогранных пластин в CAD\CAM системе сборного инструмента. I Всероссийская научно-техническая конференция "Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве": Тезисы доклада : Нижний Новгород: НГТУ, 1999 г., ч. 2, с. 19-22.

Емельянов С.Г., Куц В.В., Горохов A.A. Определение размеров остаточных слоев при фрезеровании сборными дисковыми фрезами. I Всероссийская научно-техническая конференция "Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве": Тезисы доклада: Нижний Новгород: НГТУ, 1999 г., ч. 2, с. 15-18.

Автореферат на соискание ученой степени кандидата технических наук

Куц В.В.

Повышение эффективности расчета сборных дисковых фрез для обработю шеек коленчатых валов на основе компьютерно-ориентированного моделироваши

Сдано в набор Подписано в печать

Формат 60x90/16 Бумага 80 гр./м2 Гарнитура "Times New Roman"

Объем 1,25 уч.-изд. 1 Тираж 100 экземпляров Заказ №

Издательство "СТАНКИН" 101472, Москва, Вадковский пер., 3-

ЛР №040072 от 22.08.99 г. ПЛ №53-227 от 09.02.96 г.

ВВЕДЕНИЕ.

1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ВОПРОСА.

1.1. Обоснование эффективности и актуальности сборных дисковых фрез.

1.2. Анализ обработки шеек коленчатых валов методом токарного протягивания.

1.3. Анализ конструкций сборных дисковых фрез для обработки шеек коленчатых валов.

1.4. Формула режущего инструмента.

1.5. Цели и задачи работы.

1.6. Выводы.

2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБОРНЫХ ДИСКОВЫХ ФРЕЗ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ШЕЕК КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ.

2.1. Графы, как математическая модель проектирования и изготовления сборных дисковых фрез для обработки шеек коленчатых валов.

2.1.1. Линейные преобразования координат.

2 .1.2. Граф расчета сборных дисковых фрез для обработки шеек коленчатых валов.

2.1.3. Граф конструкции сборной дисковой фрезы для обработки шеек коленчатых валов, с наружным расположением СМП.

2 .1.4. Граф расчета конструкции корпуса и кольца сборной дисковой фрезы для обработки шеек и щек коленчатых валов.

2.1.5. Определение установки коленчатого вала на станке.

2.2. Дискретное представление поверхностей.

2.2.1. Образующая исходной поверхности.

2.2.1. Дискретное представление образующей шейки коленчатого вала.

2.3. Поверхность описываемая режущими кромками.

2.3.1. Оснащение фрезы СМП.

2.3.1.1. Параметры СМП, используемых при оснащении сборных дисковых фрез для обработки шеек и щек коленчатых валов.

2.3.1.2. Расчет первой и второй производных по длине дуги режущих кромок СМП.

2.3.1.3. Расчет положения и ориентации СМП относительно производящей линии фрезы.

2.3.1.4. Корректировка положений СМП.

2.3.1.5. Распределение СМП по диаметру фрезы.

2.3.2. Расчет матрицы перехода М$<^({)дляразличных видов фрезерования коренных и шатунных шеек.

2.3.3. Расчет величин скоростей исполняемых движений.

2.4. Оценка режущих свойств фрезы.

2.4.1. Размеры срезаемых слоев.

2.4.2. Размеры остаточных слоев.

2.4.2.1. Расчет остаточных слоев на цилиндрическом участке.

2.4.2.2. Расчет остаточных слоев на торцевых участках.

2.4.2.2.1. Расчет функционального переключателя ,tj.^

2.4.3. Параметры лезвия.

2.4.4. Основное технологическое время.

2.5. Выводы.

3 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБОРНЫХ ДИСКОВЫХ ФРЕЗ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ШЕЕК КОЛЕНЧАТЫХ

ВАЛОВ.

3.1. Установка пазов под СМП.

3 .2. Параметры запирающего клина.

3.2.1. Установка пазов для запирающих клиньев СМП.

3.3. Установка отверстий для крепления клина.

3.4. Установка стружечных канавок.

3.5. Установка крепежных отверстий кольца.

3.6. Параметры корпуса фрезы.

3.7. Наладка станков для обработки корпусов режущих инструментов.

3.7.1. Наладка приспособления.

3 8. Выводы.

4 ПРИМЕР ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ИЗГОТОВЛЕНИЯ СБОРНЫХ ДИСКОВЫХ ФРЕЗ ДЛЯ

ОБРАБОТКИ ШЕЕК КОЛЕНЧАТЫХ ВАЛОВ.

4.1. Исходные данные для проектирования.

4.2. Оценочные параметры модели.

4.3. Обработка корпуса фрезы.

4.3.1. Моделирование пазов для установки запирающих клиньев СМП

4.3.2. Моделирование стружечных канавок.

4.3.3. Моделирование крепежных отверстий.

4.4. Моделирование кольца фрезы.

4.5. Расчет параметров наладки приспособления при обработке 127 корпуса и кольца фрезы на станке 2-го порядка.

4.6. Выводы.

Внедрение систем автоматизированного проектирования (САПР) и изготовления на предприятиях, осуществляющих разработку и выпуск металлорежущего инструмента, является одним из путей обеспечения машиностроения высокопроизводительным режущим инструментом. Разработка и внедрение систем САПР и изготовление режущих инструментов - одна из актуальных проблем инструментальной подготовки производства. За рубежом они получили название CAD/CAM (computer - aided design / computer - aided manufacturing) систем. При всех их достоинствах, возможности CAD/CAM систем не безграничны, но эти системы могут быть полезны на любом уровне производства и управления. Выгода будет наибольшей, если объединить все средства проектирования и производства.

Внедрение CAD/CAM

- сокращение сроков разработки;

- повышение эксплуатационных качеств инструментов;

- возможность использования новых высокоэффективных инструментов, обоснованных высокой точностью расчетов;

- сокращение материальных и энергетических затрат путем численного моделирования работы инструментов;

- повышение уровня интеграции в цепи "проектирование - производство - испытания";

- объединение программ в комплекс конструирование - производство -испытание;

- объединение расчетных программ и управляющих программ для станков с числовым программным управлением (ЧПУ).

Разработка CAD/CAM систем в области металлорежущего инструмента требует высокой степени математической формализации методов проектирования и максимальной унификации решения отдельных задач проектирования.

В данной работе осуществлена разработка формализованной математической модели проектирования и изготовления сборных дисковых фрез для обработки коренных и шатунных шеек коленчатых валов, оснащенных сменными многогранными пластинами (СМП). Фирмы производители данного инструмента, такие как "Heinleine", "Krupp Widia" и т.д., вопросы проектирования и изготовления объявили как "ноу-хау". А единственный отечественный производитель данного типа фрез, АО "Белгородский завод фрез", либо осуществляет покупку готовой технологии, либо проектирует, пользуясь методами ручного проектирования, представляющие собой упрощенные схемы расчета.

В первой главе работы делается анализ состояния вопроса и определяются цели и задачи связанные разработкой основ теории.

Во второй главе изложена математическая модель проектирования сборных дисковых фрез для обработки шеек коленчатых валов, позволившая разработать CAD/CAM систему на базе персональных компьютеров и станков с ЧПУ.

В третьей главе изложена математическая модель изготовления сборных дисковых фрез для обработки шеек коленчатых валов, позволяющая рассчитать параметры наладки приспособления и станка с ЧПУ при обработке корпуса фрезы.

В четвертой главе рассмотрен пример решения конкретной задачи, иллюстрирующей возможности системы и справедливость сформулированных в работах положений.

4.6. Выводы

1. Показаны возможности CAD/CAM системы сборных дисковых фрез для обработки шеек коленчатых валов.

2. Произведено проектирование и изготовление сборной дисковой фрезы для наружного фрезерования шейки вала, а также - численное моделирование ее работы.

3. Изготовление сборной дисковой фрезы на обрабатывающем центре подтвердило достоверность аналитических зависимостей (математической модели) проектирования и изготовления.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертации получены следующие результаты:

1. Разработан комплексный подход к проектированию и изготовлению сборных дисковых фрез.

2. Путем использования методов векторно-матричной алгебры и дифференциальной геометрии получены аналитические зависимости для проектирования и изготовления сборных дисковых фрез для обработки шеек коленчатых валов.

3. Разработана математическая модель проектирования и изготовления сборных дисковых фрез для обработки шеек коленчатых валов.

4. На базе полученной математической модели, разработаны алгоритмы, образующие систему проектирования и изготовления сборных дисковых фрез для обработки шеек коленчатых валов.

5. Разработано программное обеспечение CAD/CAM системы сборных дисковых фрез для обработки шеек коленчатых валов.

6. Приведены примеры решения конкретных задач. Практическое внедрение в промышленности полученных результатов подтвердило правильность выдвинутых в диссертации положений и сделанных выводов. Исследования, проведенные на базе CAD/CAM системы позволяют значительно сократить сроки и повысить качество проектных решений. Экономический эффект от внедрения результатов диссертации на ОАО «Белфрез» составил 250 тысяч рублей.

Основные положения диссертационной работы доложены на:

1. Международной юбилейной научно-технической конференции «Вопросы совершенствования технологических вопросов механической обработки и сборки изделий машиностроения»: ТулГУ: 1996 г.

2. VI Российской научно-технической конференции «Материалы и упрочняющие технологии -98»: Курск: КГТУ: 1998 г.

132

3. I Всероссийской научно-технической конференции "Компьютерные технологии в науке, проектировании и производстве": Нижний Новгород: НГТУ, 1999 г.

По материалам диссертации опубликованы следующие работы:

1. Емельянов С.Г., Куц В.В. Графовые модели конструирования и изготовления сборных дисковых фрез. // СТИН. -1999 г.- № 5. - с. 20-22.

2. Емельянов С.Г., Куц В.В. Моделирование процесса обработки шейки коленчатого вала сборной дисковой фрезой, оснащенной сменными многогранными пластинами. // Техника машиностроения. -1999 г. - № 2. - с. 2831.

3. Емельянов С.Г., Куц В.В., Горохов A.A. Расчет дискретного представления производящей линии инструмента в CAD/CAM системе трехсторонней сборной дисковой фрезы. // Информатика-Машиностроения. -1999 г. - № 2. -с. 2-3.

1. Андреев В.Н. Совершенствование режущего инструмента. М.: Машиностроение , 1989 - 256 с.

2. Меркачев В.М., Бутенко А.И. Экономический справочник машиностроения. Одесса: Маяк, 1991 - 200 с.

3. Кудря H.A., Эйхманс Э.Ф. Современные направления совершенствования твердых сплавов для режущего инструмента / станки и инструменты 1986 N6 стр. 15-16.

4. Емельянов С.Г. Математическая модель проектирования и изготовления сборных резцов, оснащенных многогранными неперетачиваемыми пластинами. Дис . к.т.н. - Тула; 1990. - 259 с.

5. Лашнев С.И., Борисов А.Н., Емельянов С.Г. Геометрическая теория формирования поверхностей режущими инструментами: Монография/ Курск, гос. техн. ун-т. Курск, 1997. 391 с.

6. Бернингер KW 1390. Токарная протяжка -для экономичной и высокоточной обработки коленчатых валов. Рекламный проспект.

7. Белгородский завод фрез, фрезы для обработки коленчатых валов, 1989 г., каталог

8. Фрезерные инструменты, армированные многогранными неперетачиваемыми твердосплавными пластинками. Каталог фирмы "Heinlein", 1969 г.

9. Фрезы. Каталог фирмы "Krupp Widia", 1989 г.

10. Борисов А.Н., Емельянов С.Г. Графы, как математическая модель проектирования, изготовления и эксплуатация режущих инструментов // СТИН. -19.97 г. -№ 4. с. 15-18.

11. Борисов А.Н. Геометрическая теория автоматизированного проектирования металлорежущих инструментов. Дис. . д т.н. - Тула : 1993 -284 с.

12. Лашнев С.И., Юликов М.И. Проектирование режущей части инструмента с применением ЭВМ. — М: Машиностроение,!980. 208 с.

13. Лашнев С.И., Юликов М.И. Расчет и конструирование металлорежущих инструментов с применением ЭВМ. — М.: Машиностроение, 1975.392 с.

14. Доклад 6, Эрхард Анщютц,Акц.о-во "Фельдмюле", Плохинген, Современная технология обработки резанием: Применение минералокерамиче-ского режущего инструмента. 1990 .

15. Каталог SANDVIK, Фрезы коромант №74/75.17. HERTEL, Каталог,1991.

16. SANDVIK Coromant, Indexable inserts for turning, milling and drilling tools/ Каталог. 1980.

17. Системы автоматизированного проектирования технологических процессов, приспособлений и режущих инструментов. С.Н. Корчак, A.A. Кошин А.Г. Ракович, Б.И. Синицын; Под общ. ред. С.Н. Корчака. -М.Машиностроение, 1988. 352 е.: ил.

18. Проектирование и производство режущего инструмента/М.И. Юликов, Б. И. Горбунов, Н.В. Колесов, М.: Машиностроение, 1987. - 296 е.,ил.

19. Цветков В.Д. Система автоматизированного проектирования технологических процессов. М.: Машиностроение, 1972, 240 с.

20. Подпоркин В.Г., Бердников Л.Н., Фрезерование труднообрабатываемых материалов. — 2-е изд., перераб. и доп. — Л.: Машиностроение, Ле-нингр. отд.-ние, 1983. 136 е., ил.

21. Барбашов Ф.А. Фрезерные работы, — М.: Высш. шк., 1986 208 с.

22. Фрезы торцовые, оснащенные сверхтвердыми материалами, керамикой и твердыми сплавами: Отрасл. кат./ВНИИинструмент. — М.: ВНИИ-ТЭМР, 1989,- 24.

23. Андреев В.Н. Совершенствование режущего инструмента. — М.: Машиностроение, 1993. 240с., ил.

24. Пластины режущие сменные многогранные твердосплавные, ГОСТ 19044-80, 19045-80, 19046-80, 24247-80.

25. Марголит Р.Б. Наладка станков с программным управлением: Учеб. Пособие для машиностроительных техникумов. М.: Машиностроение, 1983.-253с.,ил.

26. Справочник инструментальщика, М.: Машиностроение 1993, — 430е.: ил.

27. Общемашиностроительные нормативы режимов резания для технического нормирования работ на металлорежущих станках. Часть 1. Изд-е 2-е, М.: Машиностроение, 1974,406 с.

28. Моделирование производящей линии в CAD/CAM-системе трехсторонней . сборной фрезы. С.Г. Емельянов, A.A. Горохов, В.В. Куц.//М.: «Информатика-машиностроение», 1999, №2 (24).

29. Графовый подход к проектированию, конструированию и изготовлению сборных дисковых фрез, С.Г. Емельянов, A.A. Горохов,//М.: «Автоматизация и современные технологии», 1999, №6.

30. Емельянов С.Г., Сорокина О.С. Укрупненный алгоритм проектирования сборного осевого инструмента. VI российская научно-техническая конференция : Тезисы докладов Курск: КГТУ, 1998, с.73 - 75

31. Кудря H.A., Эйхманс Э.Ф. Современные направления совершенствования твердых сплавов для режущего инструмента / станки и инструменты 1986 N6 стр. 15-16.

32. Филиппов Г.В. Режущий инструмент. JI: Машиностроение, 1981 -392 е., ил.

33. Металлорежущие инструменты. Г.Н. Сахаров, О.Б. Арбузов, Ю. Л. Боровой и др. М.: Машиностроение 1989. - 328 с : ил.

34. Проектирование и расчет металлорежущего инструмента на ЭВМ/ О.В. Таратынов Г.Г., Земсков Ю.П., Тарамыкин и др.; Под ред. О.В. Таратынова, Ю.П. Тарамыкина. М. : Высш. шк., 1991. - 423 е.: ил.

35. Основы проектирования режущего инструмента с применением ЭВМ./П.И. Ящерицин, Б.И. Синицин, Н.И.Исигалко, И.А. Басс. -Минск: Вышейшая школа, 1979. 301 с.

36. Гречишников В.А. " Инструментальное обеспечение интегрированных машиностроительных автоматизированных производств, Станки и инструмент, N 7, 1989, стр. 6,7.

37. Конюхов В.Ю. Использование автоматизированной системы научных исследований при проектировании сборного режущего инструмента для ГПС/ Станки и инструмент N 7, 1989 г., стр. 17-18.

38. Султанов Т.А., Гавриляка С.Д., Шендерова Г.Н. Выбор технологии изготовления режущих инструментов на основе автоматизированного проектирования / Станки и инструмент, N 7, 1989, стр. 8,9.

39. Лобанова С. В. " Геометрическая теория обкаточных резцов с цилиндрической задней поверхностью ". Диссертация к.т.н. - Тула ; 1995 г. -168с.

40. Емельянов С.Г., Сорокина О.С., Михайлова С.А. Анализ эффективности использования сборных осевых инструментов и методов их проектирования / Автоматизация и современные технология, 1998, №4, с.28-30.

41. Емельянов С.Г., Сорокина О.С., Широконосов Ю.Г. Математические аспекты конструирования и изготовления сборных осевых инструментов на основе графовых моделей / СТИН, 1999, №7, стр 21-24.

42. Емельянов С.Г., Сорокина О.С., Графовая модель проектирования и изготовления сборного осевого инструмента, оснащенного сменными мно138гогранными пластинами / Автоматизация и современные технологии, 1999, №2, с.33-35.

43. Емельянов С.Г., Куц В.В. Графовые модели конструирования и изготовления сборных дисковых фрез. // СТИН. -1999 г.- № 5. с. 20-22.