автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Разработка информационно-математической модели и системы автоматизированного проектирования круглых протяжек с винтовыми зубьями

На правах рукописи

ЗАРАК ТАТЬЯНА ВЛАДИМИРОВНА

РАЗРАБОТКА ИНФОРМАЦИОННО-МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ И СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ КРУГЛЫХ ПРОТЯЖЕК С ВИНТОВЫМИ ЗУБЬЯМИ

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

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Иркутск - 2004

Работа выполнена на кафедре оборудования и автоматизации машиностроения Иркутского государственного технического университета

Научный руководитель -

заслуженный деятель науки и техники Российской Федерации, доктор технических наук, профессор Промпте® А.И.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Зайдес СА.

кандидат технических наук, доцент Лившиц А.В.

Ведущая организация -

ОАО «Иркутский научно-исследовательский институт авиационной технологии и организации производства»

Защита состоится 22 декабря 2004г. на заседании диссертационного совета Д 212.073.02 Иркутскою государственного технического университета по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иркутского государственного технического университета.

4£>

Автореферат разослан <лд/ ноября 2004 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, профессор

В.М.Салов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Протяжки относятся к числу инструментов, обеспечивающих эффективное получение точных отверстий с высоким качеством поверхности. Область применения протяжек в современном машиностроении непрерывно расширяется. Для обработки отверстий большой протяженности диаметром от 6 до 25 мм, а также малой длины в диапазоне диаметров 4...30 мм высокие результаты показывают круглые протяжки с винтовыми зубьями.

Вместе с тем протяжки сложны в изготовлении, основным материалом для них служит быстрорежущая сталь с повышенным содержанием вольфрама, что определяет высокую первоначальную стоимость инструмента. Значительная часть затрат, связанных с осуществлением протяжной операции, вследствие её малой трудоемкости, приходится на инструмент. Основным резервом для их снижения является особо качественное проектирование с созданием максимально совершенной конструкции, тем более что корректировка конструкции протяжки, выполненной в металле, уже практически невозможна. Очевидным путем решения этих проблем применительно к протяжкам с винтовыми зубьями в современных условиях является переход на их автоматизированное проектирование.

В существующей системе автоматизированного проектирования режущего инструмента (САПР РИ) реализован достаточно совершенный математический аппарат проектирования внутренних протяжек с кольцевыми зубьями. Для протяжек с винтовыми зубьями даже в неполной мере сформированы методика их расчета и её математическое обеспечение, ограниченно представлены разработки по их автоматизированному проектированию. Стимулирующим фактом для формирования САПР винтовых протяжек является и то, что проектированию режущего инструмента присуще избыточное число неизвестных по сравнению с числом уравнений, имеющихся в распоряжении конструктора. Как следствие, становится возможной вариантность решений, оптимизация которых практически неосуществима без привлечения вычислительной техники.

В связи с этим создание математического аппарата и разработка алгоритма для автоматизации расчета и конструирования протяжек с винтовыми зубьями является важной составной задачей повышения эффективности проектирования металлорежущего инструмента.

Целью работы является создание информационно-математической базы и на этой основе системы автоматизированного проектирования круглых протяжек с винтовыми зубьями.

Методы исследования. В работе применены математический аппарат интегрального исчисления, аналитической геометрии, теории прочности, основные положения конструирования металлорежущего инструмента. При разработке программы использован язык программирования высокого уровня C++Builder и ПК на базе процессора Pentium IV. Для обработки результатов расчета был задействован программный пакет Microsoft Excel.

Научная новизна:

- получена система зависимостей и ограничений для определения конструктивных параметров рабочей части протяжек с винтовыми зубьями;

- разработаны методика и математический аппарат для их прочностного расчета;

- создан алгоритм автоматизированного проектирования круглых протяжек с винтовыми зубьями.

Практическая ценность работы заключается в освоении и промышленном внедрении подсистемы САПР РИ - проектирование винтовых протяжек, созданной на основе разработанных зависимостей.

Апробация. Результаты диссертационной работы были доложены на шестой Всероссийской научно-практической конференции «Современные технологии в машиностроении» (Пенза, 2003), на международной научной конференции «Фундаментальные и прикладные вопросы механики» (Хабаровск, 2003), на региональной научно-технической конференции «Перспективные технологии получения и обработки материалов» (Иркутск, 2004), на молодежной научно-практической конференции «Современные информационные технологии в науке и образовании» (Иркутск, 2004), на научных семинарах и конференциях Иркутского государственного технического университета.

Практическая реализация. Алгоритм и программа автоматизированного проектирования протяжек с винтовыми зубьями внедрены на Иркутском авиационном заводе ОАО НПК «Иркут» и в ОАО «Иркутский завод дорожных машин».

Публикации. По материалам исследований опубликовано 11 работ, получены 2 свидетельства об отраслевой регистрации разработки.

[ объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, библиографического списка и приложений. Основной текст содержит 146 страниц, включая 43 рисунка, 3 таблицы, и библиографический список из 115 наименований. Приложения, в которые вошли базы данных, программы расчетов и акты внедрения результатов работы, представлены на 65 страницах.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации и сформулированы положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен анализ конструктивных особенностей протяжек с винтовыми зубьями, расчетных зависимостей, используемых при их проектировании, современного состояния автоматизации проектирования режущего инструмента.

На основе работ А.В. Драчука, Ю.В. Гаврилова, П.Г. Кацева, Д.К. Маргулиса, А.М. Розенберга, ОА. Розенберга, А.В. Щеголева и других исследователей прослежены особенности определения параметров винтовых протяжек: числа заходов зубьев, угла наклона и шага между зубьями, подъема на зуб, значений переднего и заднего углов, определения формы и размеров стружечных канавок. Установлено, что рекомендации по выбору ряда параметров достаточно разноречивы, имеет место неоправданное использование зависимостей, отвечающих протяжкам с кольцевыми зубьями.

Вопросы автоматизации проектирования режущего инструмента проанализированы на основе работ Г.К. Горанского, В.А. Гречишникова, С.Н. Корчака, СИ. Лашнева, СВ. Лукиной, МА Максимова, О.В. Таратьшова, Ю.П. Тарамыкина, М.И. Юликова и ряда других ученых. Рассмотрены общие подходы к разработке алгоритмов проектирования режущих инструментов, расчета и оптимизации их параметров. Отмечено, что при автоматизации проектирования необходимо использовать системный подход.

Проведенный анализ позволил констатировать, что сформированы общие подходы к созданию САПР режущих инструментов, в полной мере исследованы вопросы конструирования протяжек с кольцевыми зубьями, разработана система их автоматизированного проектирования. Вместе с тем методика расчета и конструирования винтовых протяжек, её математическое оснащение представлены в ограниченном объеме. Предлагаемые решения охватывают отдельные аспекты проектирования этого инструмента, в значительной мере исходя из опыта

проектирования протяжек с кольцевыми зубьями. В еще большей степени это относится к автоматизации их проектирования.

Изложенное определило цель работы и вытекающие из неё задачи, которые подлежат решению. Основными стали следующие задачи:

1. установить взаимосвязь между параметрами режущей части применительно к протяжкам с винтовыми зубьями;

2. определить наиболее рациональную последовательность расчета режущей

3. уточнить расчет протяжек с винтовыми зубьями на прочность;

4. сформировать модель круглой протяжки с винтовыми зубьями на основе существующих и вновь созданных формул;

5. разработать алгоритм и программу расчета круглой винтовой протяжки до стадии выполнения её рабочего чертежа;

6. реализовать САПР круглой протяжки с винтовыми зубьями в производственных условиях.

Во второй главе получена основная расчетная зависимость, связывающая подъем на зуб, глубину стружечной канавки, длину протягиваемого отверстия и число заходов зубьев протяжки, предложен расчет протяжки на прочность, выведена зависимость для расчета числа стружкоразделительных канавок, решена задача определения параметров зубьев протяжки, исходящая из условия выполнения нормируемого объема работы.

Зависимость между глубиной стружечной канавки и подъемом на зуб выведена из предпосылки равенства объемов стружки, снимаемого одним зубом, и объемом активной части стружечной канавки. В окончательном представлении она имеет вид:

где - коэффициент заполнения стружечной канавки; - длина протягиваемого отверстия, - подъем на зуб, - число заходов винтовых зубьев.

Далее в реферируемой работе представлена общая схема проектирования. Установлено, что для протяжек с винтовыми зубьями целесообразно вначале определить глубину стружечной канавки из условия жесткости

части;

(1)

к„ =(0,15.. .0,20)1),

где - диаметр протягиваемого отверстия.

Это позволяет обратившись к формуле (I) рассчитать подъем на зуб.

Основаниями для такого подхода послужили следующие обстоятельства. Во-первых, протяжки с винтовыми зубьями имеют диаметры, которые в любом случае требуют оценки жесткости инструмента. Во-вторых, подъем на зуб в данном случае, имея малый диапазон изменения, оказывается Рис. 1. Схема к определению длины части практически не связанным с условиями

канавки, заполняемой стружкой

паботы

Основной проверкой при расчете становится согласование значения подъема на зуб с углом наклона образующей конической поверхности в которую вписана режущая часть (рис. 1).

где - диаметр калибрующих зубьев; - диаметр первого режущего зуба; - длина режущей части.

где - припуск, подлежащий удалению; - осевой шаг зубьев. Рекомендуемые значения угла лежат в пределах 6'... 12'.

Конструктивным параметром, не менее важным, чем глубина стружечной канавки, является шаг между зубьями. Его можно определить в зависимости от ширины задней поверхности g и длины стружечной канавки 1СК. В свою очереДь последнюю можно представить как функцию глубины канавки: 1ек = К^к, где Ка = 1,5 при нормальной канавке и = 2,5 при удлиненной канавке.

(2)

Полученная величина шага должна быть согласована с числом заходов и углом наклона согласно зависимости:

где - угол наклона зубьев.

При рассмотрении сил, действующих на винтовом зубе, учтено, что в связи с

осуществлением косоугольной схемы резания помимо главной составляющей силы резания направленной вдоль оси протяжки, и радиальной составляющей Ру, направленной по радиусу инструмента, появляется третья компонента - тангенциальная сила Р\. Согласно рис.2 она

Рис. 2. Схема сил, действующих на протяжке с винтовым зубом

перпендикулярна двум первым и является касагелыюи к окружности, представляющей отверстие.

Рассматривая силы, действующие при косоугольном резании, для нормальной составляющей можно записать:

Р„=ч%Ъь-какгкск„

где qt - удельная сила резания, приходящаяся на 1мм длины режущей кромки; Y.b суммарная длина режущих кромок, находящихся в отверстии; КЩ,КГ,КС,КШ~ поправочные коэффициенты, учитывающие физико-механические свойства обрабатываемого материала, величину переднего угла, вид применяемой смазочно-охлаждающей среды, износ инструмента.

Для определения главной и тангенциальной компонент силы резания были использованы соотношения,установленные A.M. Розенбергом для косоугольного резания. В результате получены формулы для определения силы протягивания и крутящего момента:

Pz=bL^K4KrKcKuK„r, (3)

M^q.L,ztd.K.KrKtK,K^, (4)

где - поправочные коэффициенты, отражающие влияние угла наклона

винтовых зубьев на силу протягивания и крутящий момент;

tg<0 .г °'14

К=

0,28 + 0,72sin!fi>'

0,28 + 0,72ипг®

Недостатком формул вида (3) и (4) является отсутствие в них в явном виде подъема на зуб, что затрудняет решение некоторых задач, например, определение подъема на зуб по допустимой силе. Особо это проявляется при разработке

алгоритмов для автоматизированного проектирования. В силу указанных обстоятельств были даны расчетные формулы силы протягивания и крутящего момента в несколько иной форме:

Мк=С^11„1^.КцКгКсКыКан.

При расчете протяжки с винтовыми зубьями на прочность было принято во внимание, что опасным сечением помимо хвостовика и начала рабочей части может быть технологическая канавка, которую выполняют между передней направляющей и режущей частью для выхода инструмента, формирующего зубья протяжки. В том случае, когда выполнение технологической канавки допустимо, расчет на прочность получается весьма простым, так как опасное сечение будет находиться на хвостовике или проходить по этой канавке, поскольку её прочность с учетом размеров, естественно, ниже прочности рабочей части. Расчет может быть проведен с использованием формулы

'' - ' Г 1 (5)

Если же технологическая канавка делает протяжку неработоспособной и её из конструкции необходимо исключить, приходится рассчитывать на прочность рабочую часть инструмента как естественно завитой стержень, что представляет уже задачу большой сложности. При решении этой задачи проверку режущей части на прочность можно выполнить с помощью соотношения, подобного (5):

Для определения нормальных и касательных напряжений предложено использовать формулы А.Л. Кириленко и Г.В. Филиппова, выведенные применительно к инструментам с винтовыми зубьями:

<г„ =Е

ои

---г

Я

(7)

г, =сгг(ег; (8)

(9)

где Я - модуль упругости; {¡г - относительный угол естественной закрученности инструмента; г - продольная деформация стержня инструмента; в - крутильная

деформация стержня инструмента; г - текущий радиус поперечного сечения инструмента; jK.hR- постоянные величины.

Для расчета величин, входящих в формулы (6) - (9), служат следующие зависимости:

= (Ю)

В зависимостях (10)-(14) б - модуль сдвига; ц- коэффициент Пуассона; -условный полярный момент инерции (геометрическая жесткость при кручении); Я и Ф - постоянные величины.

Для определения постоянных Я и К в диссертации получены выражения:

где g--ширина спинки зуба; с1 - диаметр протяжки в начале рабочей части; /г глубина стружечной канавки; йт-Л-'1Н.

Для определения использовано приближенное решение, основанное на формуле Симпсона:

(17)

где Л,...Л ! - частные значения функции в пяти точках, образующихся при делении интервала интегрирования на части.

К1

(18)

Ф = —-Я. Л

На основе зависимостей (6) - (18), была разработана программа, которая позволила провести расчеты и построить графики распределения нормальных и касательных напряжений по радиусу протяжки </=8л1М при глубине стружечной канавки й=1,2им. Решение было получено для трех значений угла наклона винтовых зубьев, учитывая специфичность этого параметра.

В результате установлено, что наибольшую величину имеют нормальные напряжения, обусловленные действием силы протягивания Несколько им уступают касательные напряжения, вызываемые действием этой же силы. Более низкий уровень отличает напряжения, порождаемые крутящим моментом, что отражает значительно меньшее значение силы Ру, создающей крутящий момент, по сравнению с

Общим для всех напряжений является их существенное изменение по радиусу протяжки, сопровождаемое для с« и тм даже сменой знака. Причиной последнего

является раскручивание естественно закрученного стержня под действием крутящего момента. В результате внешние слои, относящиеся к зубьям, стремятся удлиниться, чему препятствует внутренняя часть протяжки. Как следствие, на периферии возникают сжимающие напряжения, а вблизи от центра - растягивающие.

Примечательным является снижение

,„„ ш,Р,МПа

с приближением к периферии

протяжки, что отражается и на

приведенных напряжениях (рис. 4).

Это обстоятельство исключает

возможность расчета протяжки с

винтовыми зубьями на прочность по 1,0 2,0 3,0 4,0

напряжениям на ее внешней

Рис 4. Приведенные напряжения в

г г поверхности.

зависимости от радиуса протяжки

При рассмотрении вопроса стружкоразделения на протяжках с винтовыми зубьями исходили из того, что ширина среза должна находиться в зависимости от диаметра зуба протяжки. Рассматривая режущую кромку на длине Ь как часть эллипса (рис. 5.), получили решение, которому

отвечает минимально возможная жесткость стружки при достаточном числе стружкоразделительных канавок.

Ьт = 1,25«/ м ($т й>) °'г, (19)

где - проекция ширины среза на торцовую плоскость.

Число стружкоразделительных канавок при эгом будет равно:

где - ширина стружкоразделительной канавки, которую можно принять такой же, что и у протяжек с кольцевыми зубьями.

При расчете параметров протяжек следует согласовать срок их службы с объемом выполняемых работ. В случае если протяжка, спроектированная по общепринятым правилам, не обеспечивает выполнения заданной программы, а в то же время такая же вторая протяжка будет использована лишь частично, становится целесообразным изготовление одной протяжки, допускающей увеличенное число

>А

Рис. 5. Схема к определению расстояния между стружкоразделительными канавками при винтовом зубе

переточек и имеющей, соответственно, больший срок службы. Естественно, что увеличение числа переточек связано с увеличением толщины зуба, а, следовательно, и шага между зубьями и длины инструмента. Тем самым несколько усложняется его изготовление, возрастает время протягивания, но эти потери могут быть полностью компенсированы сокращением числа изготавливаемых инструментов, экономией инструментального материала. Зная необходимое количество переточек N можно определить длину задней поверхности зуба протяжки:

где т - толщина слоя, стачиваемого за одну переточку; ( - количество изготавливаемых протяжек; gm,„ - минимально допустимая длина задней поверхности зуба, определяемая его прочностью.

При сохранении рекомендуемых размеров стружечных канавок шаг между зубьями будет равен:

р = /„+£•«»(!, (21)

где - длина стружечной канавки; - задний угол.

Полученное значение шага между зубьями с учетом специфики протяжек с винтовыми зубьями подлежит проверке на величину угла наклона зубьев, а при числе заходов равном двум - и на устойчивость положения инструмента в отверстии.

В третьей главе представлена структура проектирования круглых протяжек с винтовыми зубьями в виде блоков, связи между которыми отражают последовательность осуществления расчетов. Расчет начинается с блока ввода исходных данных. Следующие далее блоки проектирования хвостовика, передней направляющей и калибрующей части имеют один уровень, между собой не связаны и последовательность их расположения в расчетном алгоритме может быть любой.

Специфичным моментом в проектировании протяжек с винтовыми зубьями является взаимосвязь в положении блоков расчета режущей и калибрующей частей. На начальном этапе возможно определение шага зубьев путем согласования его величины с числом заходов и углом наклона зубьев, как фрагмента проектирования режущей части. После этого в целях унификации алгоритма проектирования протяжки было сочтено целесообразным разместить блок расчета калибрующей части, независимо от того является ли она цилиндрической или с наклонной образующей. Тем самым открывается возможность для завершения проектирования режущей части в полном объеме.

Основными этапами, требующими оптимизационных решений, являются определение шага между зубьями и глубины стружечной канавки. В предлагаемом алгоритме оптимизация осуществлена пошаговым изменением глубины стружечной канавки и подъема на зуб. Эти значения в ходе расчета изменяются в зависимости от результатов проверки ограничивающих условий.

Следующий этап, сводящий все предшествующие блоки воедино, имеет своей задачей определение суммарной длины всех частей спроектированной протяжки, а в случае, если она превысит допустимую величину, формирование комплекта протяжек с нахождением диаметральных размеров их режущих частей. В заключение назначаются допустимые отклонения на установленные размеры, формируются технические требования на спроектированный инструмент и выполняется его чертеж.

На основе рассмотренной структуры проектирования и предложенного математического аппарата разработаны подробный алгоритм расчета параметров режущей части, проверки ее на прочность, а также блок-схема всего процесса проектирования винтовых протяжек. Блок-схема реализована в виде программного продукта, зарегистрированного в Отраслевом фонде алгоритмов и программ. Блок-схема расчета режущей части, как одной из основных в алгоритме проектирования приведена на рис.6.

В случае изменения состава исходной информации или появления дополнительных требований возможна иная последовательность расчета режущей части. Поэтому в диссертации предложены дополнительные варианты ее расчета. Рассмотрены два наиболее характерных случая:

1) подъем на зуб предписан и, следовательно, он переходит в разряд исходной информации. При расчете протяжки на прочность регулируемым параметром становится ширина среза, и её изменение будет связано с корректированием угла наклона зубьев.

2) обработка глубокого отверстия. Лимитирующим фактором в данном случае становятся силы протягивания, которые предписывают и подъем на зуб, и длину режущей части протяжки, поскольку именно она, а не длина обрабатываемого отверстия, будет определять ширину среза. Основная сложность поиска оптимального варианта при этом заключается в согласовании подъема на зуб, угла наклона зубьев и длины режущей части.

<//=А) - ел

Информация в детали, отверстии, протяжном оборудовании - из блока ввода данных

принять ближайшим из стандартного ряда

недостающая информация для расчета -из базы данных

Рис. 6. Блок-схема проектирования режущей части

рстр. 16 из стр.

Рис 6. (окончание)

Программа расчета, построенная на изложенных предпосылках и использующая приведенные формулы, представлена в приложении. В качестве языка программирования был выбран язык высокого уровня С++Вш'1<1ег. Данная разработка реализует все преимущества современных технологий. В своей расчетной части она использует принципы структурного программирования, интерфейс соответствует объектно-ориентированному программированию. В программе оптимизация параметров протяжки реализована тремя вложенными циклами, в каждом из которых ведут подсчет количества итераций. Значение этой величины по любому из циклов выше 200 сигнализирует о том, что оптимальный вариант не найден. Причиной этому могут быть некорректные исходные данные, например, слишком большая длина

протягиваемого отверстия для заданного значения диаметра. Предусмотрено, что в этом случае пользователь получает соответствующее предупреждение.

В четвертой главе рассмотрены вопросы практики проектирования протяжек с винтовыми зубьями, перечислены минимальные требования к компьютеру и его программному обеспечению, приведены указания по установке программы и ее применению.

При практической реализации подсистемы автоматизированного проектирования протяжек с винтовыми зубьями было формализовано определение типа протяжки в зависимости от параметров протягиваемого отверстия. В основу предлагаемого решения легла двухэтапная схема. Па первом этапе осуществляется выбор схемы протягивания: одинарная или групповая, а на втором применительно к одинарной схеме определяется вид зубьев: кольцевые или винтовые. Алгоритм реализован в виде программного продукта, зарегистрированного в Отраслевом фонде алгоритмов и программ.

Задачи, решаемые созданной подсистемой автоматизированного проектирования протяжек, определили минимальные требования к компьютеру: микропроцессор Intel Pentium II и выше, объем оперативной памяти не менее 64 Мбайт, объем свободного места на жестком диске не менее 10 Мбайт, монитор размером 19" по диагонали (допустимо 17"), программное обеспечение - ОС Windows 98 и выше. Для облегчения использования созданной подсистемы в диссертации сформулированы указания по ее установке и применению.

Для проверки работоспособности подсистемы автоматизированного проектирования инструмента в производственных условиях были проведены экспериментальные исследования на базе Иркутского авиационного завода ОЛО НПК «Иркут» и в лаборатории контроля качества Иркутского государственного технического университета. На первом этапе эксперимента с использованием разработанной программы были рассчитаны и изготовлены протяжки диаметром 5 и 6 мм (рис.7).

Протягивание отверстий осуществляли в пластине толщиной 15 мм из сплава Д16Т и в пакете толщиной 14 мм, выполненном из сплава марки В95. Измерение протянутых отверстий, которое выполняли микрометром рычажным модели TGL с ценой деления 0,002мм, показало, что точность получаемых отверстий находится в пределах IT6, а шероховатость поверхности, измеренная профилографом-профилометром модели 252, имеет значения Ra=0.03...0,09MKM.

Рис. 7. Результат автоматизированного проектирования протяжки для получения отверстий диаметром 5 мм

Тем самым проведенные исследования подтвердили эффективность автоматизированного проектирования винтовых протяжек, которое позволяет минимизировать время проектирования, получить результаты расчета в виде чертежей, просчитать различные варианты исходных данных без привлечения дополнительных ресурсов при минимальных требованиях к компьютеру.

ОБЩИЕ ВЫВОДЫ

1. Сформирована математическая база, необходимая для проектирования круглых протяжек с винтовыми зубьями. Получена основная расчетная зависимость, связывающая подъем на зуб, глубину стружечной канавки, длину протягиваемого отверстия и число заходов зубьев винтовой протяжки.

2. Предложена методика расчета протяжки на прочность, рассматривающая её рабочую часть как естественно завитой сгержень. Установлено распределение нормальных и касательных напряжений по поперечному сечению рабочей части

3. Получена зависимость для расчета числа стружкоразделительных канавок, исходящая из сохранения постоянства жесткости стружки при изменении диаметра протяжки и угла наклона её зубьев.

4. Решена задача определения параметров зубьев протяжки, обеспечивающей выполнение нормируемого объема работы, что позволяет для условий ограниченного объема производства выполнить рациональную конструкцию инструмента.

5. На основании укрупненных схем, устанавливающих связи между расчетными блоками, разработан алгоритм и программа расчета круглых протяжек с винтовыми зубьями с получением рабочего чертежа инструмента.

6. Созданная программа реализует все преимущества современных технологий. Использующая язык высокого уровня С++ВшМег, программа адекватно реагирует на любые действия пользователя, допускает оперативное внесение изменений и дополнений. Данная программная разработка зарегистрирована в Отраслевом фонде алгоритмов и программ Государственного координационного центра информационных технологий.

7. Предложены и снабжены необходимым математическим сопровождением схемы проектирования режущей части протяжек для глубоких отверстий и для случая, когда подъем на зуб входит в число исходных параметров.

8. Разработана инструкция пользования подсисюмой автоматизированного проектирования протяжек с винтовыми зубьями.

9. Экспериментальным путем подтверждена эффективность автоматизированного проектирования винтовых протяжек с использованием предлагаемых зависимостей, что позволило реализовать выполненные разработки на Иркутском авиационном заводе ОАО НПК «Иркут» и в ОАО «Иркутский завод дорожных машин».

Публикации по теме диссертации:

1. Промптов А.И., Зарак Т.В. Протяжки с нормируемым объемом выполняемой работы // Повышение эффективности технологической подготовки машиностроительного производства: Сб. науч. тр. - Иркутск: Изд-во ИрГТУ, 2002. -С. 22-24.

2. Зарак Т.В., Промптов А.И. Оптимизация угла подъема зубьев круглых винтовых протяжек // Современные технологии в машиностроении-2003: Сборник статей VI Всероссийской научно-практической конференции. - Пенза, 2003.- С. 145-148.

«2430»

3. Промптов А.И., Зарак Т.В. Определение параметров зуба круглой винтовой протяжки // Вестник ИрГТУ. 2003. № 1. С.16-18.

4. Промптов А.И., Зарак Т.В. Автоматизация проектирования режущей части круглых протяжек с винтовым зубом // Вестник ИрГТУ. 2003. №3-4. С. 14-17.

5. Зарак Т.В., Промптов А.И. Основные предпосылки к созданию системы автоматизированного проектирования протяжек с винтовым зубом // Фундаментальные и прикладные вопросы механики: Сборник докладов международной научной конференции. - Хабаровск: Изд-во Хабар, гос. техн. ун-та,

2003.-Т.2.С.206-211.

6. Промптов А.И., Зарак Т.В. Стружкоразделение на протяжках с винтовым зубом // Технологическая механика материалов: Межвузовский сб. научных трудов. -Иркутск: Изд-во Иркутского гос. техн. ун-та, 2004. С. 44-47.

7. Зарак Т.В. Расчет протяжек с винтовым зубом на прочность // Технологическая механика материалов: Межвузовский сб. научных трудов. - Иркутск: Изд-во Иркутского гос. техн. ун-та, 2004. С. 61-64.

8. Зарак Т.В. Проектирование круглых протяжек с винтовыми зубьями в автоматизированном режиме // Перспективные технологии получения и обработки материалов: Материалы региональной научно-технической конференции. Иркутск: Изд-во Иркутского гос. техн. ун-та, 2004. С. 35-38.

9. Зарак Т.В. Программа проектирования круглых протяжек с винтовым зубом // Современные информационные технологии в науке и образовании: Сборник докладов и тезисов молодежной научно-практической конференции. Иркутск: Изд-во ИрГТУ,

2004. С. 51-56.

10. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки. Автоматизация проектирования протяжек с винтовым зубом / Зарак Т.В. - № 3347; Зарегистр. 6.04.2004.

11. Свидетельство об отраслевой регистрации разработки. Проектирование протяжек с кольцевыми зубьями / Зарак Т.В. - № 3349; Зарегистр. 6.04.2004.

УЧ.-ИЭДЛ. №5. Тираж 100 экз. Зак.

ИД №06506 от 26.12.2001 Иркутский государственный технический университет 664074, Иркутск, ул. Лермонтова, 83

Введение.

1. Основные предпосылки к созданию системы автоматизированного проектирования круглых протяжек с винтовыми зубьями.

1.1. Конструктивные особенности протяжек с винтовыми зубьями.

1.2. Расчетные зависимости, используемые при проектировании протяжек с винтовыми зубьями.

1.3. Автоматизация проектирования режущего инструмента.

1.4. Цель работы и её задачи.

2. Математическое обеспечение расчета протяжек с винтовыми зубьями. .57 ^ 2.1. Определение конструктивных параметров рабочей части.

2.2. Особенности прочностного расчета винтовых протяжек.

2.3. Стружкоразделение на протяжках с винтовыми зубьями.

2.4. Протяжки с нормируемым объемом работы.

Выводы по главе.

3. Алгоритм проектирования круглой протяжки с винтовыми зубьями.

3.1. Укрупненная блок-схема проектирования инструмента.

3.2. Построение алгоритма расчета протяжки.

3.3. Дополнительные варианты расчета режущей части.

Выводы по главе.

4. Некоторые вопросы проектирования и использования протяжек с винтовыми зубьями.

Выводы по главе.

На современном этапе развития машиностроительного производства основой его технического перевооружения стала автоматизация технологической подготовки производства. Все возрастающая номенклатура выпускаемых изделий, усложнение их конструкции и технологии изготовления из года в год увеличивает объем проектных и технологических работ, связанных с освоением новой продукции. В то же время условия конкуренции, необходимость увеличения срока службы изделия до того, как оно морально устареет, требуют максимального сокращения подготовительного периода. Старые методы его организации уже не могут служить полноценным источником для изыскания дополнительных резервов. Наращивание штатов инженерных служб ведет к неравномерной их загруженности и диспропорции в составе работающих в сферах проектирования и производства. Для ведущих предприятий выходом из такой ситуации стало создание автоматизированных систем технологической подготовки производства (АС ТПП).

С автоматизацией технологической подготовки производства неразрывно связана автоматизация управления производством. Это относится и к отдельным станкам с числовым программным управлением, и к станочным системам, и к структурным подразделениям в целом. Эффективное автоматизированное управление производственным процессом требует опережающего развития автоматизации конструирования и технологического проектирования, как источника поступления исходной информации.

АС ТИП в связи с большим числом решаемых задач приобрели сложную многоуровневую структуру. Подсистемы автоматизированного проектирования специальных станочных приспособлений режущих и измерительных инструментов занимают в ней важное место, так как до 80% от общей трудоемкости технологической подготовки производства составляет трудоемкость проектирования и изготовления оснастки. В среднем при запуске нового изделия требуется изготовить до пяти тысяч различных видов приспособлений и инструментов, что может надолго задержать его освоение [19].

Составной частью подпрограммы «Инструмент» является система автоматизированного проектирования режущих инструментов (САПР РИ). Её приоритетной функцией является доработка специальных инструментов применительно к конкретным условиям. Соответственно, основное место занимает аналоговое проектирование с использованием известных и хорошо отработанных конструкций. В значительно меньшей мере реализуют синтезирование, то есть формирование конструкции из известных элементов, обладающих лучшими свойствами. Эвристическое проектирование в системе АС ТПГТ вряд ли в обозримом будущем найдет место в связи с жестким лимитированием сроков проектирования и сложностью формализации задания [51,82, 107, 114].

Массированное создание САПР РИ имеет хорошие перспективы. Возможно четкое деление режущего инструмента, как объекта проектирования, на функционально определенные отдельные конструктивные элементы, которые можно разрабатывать самостоятельно. Существует достаточно совершенный математический аппарат, обеспечивающий расчетную часть проектирования. Имеющиеся функциональные связи поддаются математической формализации. В значительном объеме представлены стандартизованные и типовые решения. Стимулирующим фактором для формирования САПР РИ является и то, что проектированию режущего инструмента присуще избыточное число неизвестных по сравнению с числом уравнений, имеющихся в распоряжении конструктора. Как следствие, становится возможной вариантность решений, оптимизация которых практически неосуществима без привлечения вычислительной техники.

В создании системы САПР РИ протяжки занимают особое место. Обусловлено это комплексом причин. С одной стороны протягивание обеспечивает высокую производительность и точность обработки, достижима малая шероховатость обработанной поверхности, инструмент имеет высокую стойкость, оборудование отличается конструктивной простотой и простотой эксплуатации. Область применения протяжек в современном машиностроении непрерывно расширяется. С другой стороны протяжки сложны в изготовлении, основным материалом для них является быстрорежущая сталь с повышенным содержанием вольфрама, что определяет высокую первоначальную стоимость инструмента. Вследствие малой трудоемкости протяжной операции значительную часть её стоимости составляют затраты на инструмент. Ремонтопригодность протяжек низкая. Корректировка конструкции, выполненной в металле, практически невозможна. Условия работы затруднительны в связи с формированием стружки в замкнутом пространстве. Число параметров режущей части инструмента, подлежащих взаимному согласованию, особо велико, в силу чего вариантность расчета неизбежна. Преодолеть эти недостатки можно только особо качественным проектированием с созданием максимально совершенной конструкции.

В силу указанных обстоятельств именно этот инструмент вошел в число первых, расчет которых стали переводить на ЭВМ [57, 58]. Как следствие, САПР внутренних протяжек с кольцевыми зубьями отработан на высоком уровне. Совершенно иное положение сложилось с винтовыми протяжками, несмотря на их успешное и в достаточно больших масштабах использование при обработке отверстий малых диаметров самой малой или, наоборот, большой протяженности. При отсутствии разработок по их автоматизированному проектированию, в неполной мере сформирована и методика их расчета. Восполнить этот пробел имеет своей целью предлагаемая работа. Основанием для её постановки послужила необходимость пополнения САПР РИ Научно-производственной корпорации «Иркут».

Достижение конечной цели, т.е. создания алгоритма и программ расчета протяжек с винтовыми зубьями для цилиндрических отверстий, потребовало предварительного создания математического обеспечения с формализацией ряда связей, что является необходимым условием для устойчивой работы САПР. Эти разработки и составили первую часть работы. В её вторую

часть, помимо общей схемы проектирования инструмента, вошли алгоритмы расчета всех его частей. Было сочтено целесообразным для режущей части, как наиболее ответственной, рассмотреть несколько вариантов её проектирования, исходя из имеющейся исходной информации и необходимости учета тех или иных ограничений.

По результатам выполненной работы автор выносит на защиту следующие положения:

• зависимости для определения конструктивных параметров рабочей части инструмента;

• методику и математический аппарат для прочностного расчета протяжек с винтовыми зубьями;

• алгоритм автоматизированного проектирования круглых протяжек с винтовыми зубьями;

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ

1. Сформирована математическая база, необходимая для проектирования круглых протяжек с винтовыми зубьями. Получена основная расчетная зависимость, связывающая подъем на зуб, глубину стружечной канавки, длину протягиваемого отверстия и число заходов зубьев винтовой протяжки.

2. Предложена методика расчета протяжки на прочность, рассматривающая её рабочую часть как естественно завитой стержень. Установлено распределение нормальных и касательных напряжений по поперечному сечению рабочей части.

3. Получена зависимость для расчета числа стружкоразделительных канавок, исходящая из сохранения постоянства жесткости стружки при изменении диаметра протяжки и угла наклона её зубьев.

4. Решена задача определения параметров зубьев протяжки, обеспечивающей выполнение нормируемого объема работы, что позволяет для условий ограниченного объема производства выполнить рациональную конструкцию инструмента.

5. На основании укрупненных схем, устанавливающих связи между расчетными блоками, разработан алгоритм и программа расчета круглых протяжек с винтовыми зубьями с получением рабочего чертежа инструмента.

6. Созданная программа реализует все преимущества современных технологий. Использующая язык высокого уровня C++Builder, программа адекватно реагирует на любые действия пользователя, допускает оперативное внесение изменений и дополнений. Данная программная разработка зарегистрирована в Отраслевом фонде алгоритмов и программ Государственного координационного центра информационных технологий.

7. Предложены и снабжены необходимым математическим сопровождением схемы проектирования режущей части протяжек для глубоких отверстий и для случая, когда подъем на зуб входит в число исходных параметров.

8. Разработана инструкция пользования подсистемой автоматизированного проектирования протяжек с винтовыми зубьями.

9. Экспериментальным путем подтверждена эффективность автоматизированного проектирования винтовых протяжек с использованием предлагаемых зависимостей, что позволило реализовать выполненные разработки на Иркутском авиационном заводе ОАО НПК «Иркут» и в ОАО «Иркутский завод дорожных машин».

1. Автоматизация поискового конструирования / Под ред. А.И. Половин-кина. М.: Радио и связь, 1981. 344 с.

2. Автоматизированное проектирование металлорежущих станков и инструментов: Учеб. пособие / Б.Г. Аппязов, Ю.И. Манохин, А.А. Пога и др. Кемерово: КузПИ, 1990. 88 с.

3. Автоматизированное проектирование металлорежущего инструмента: Учеб. пособие / В.А. Гречишников, Г.Н. Кирсанов, А.В. Катаев и др. М.: Мосстанкин, 1984. 109 с.

4. Автоматизированные системы технологической подготовки производства в машиностроении / Под ред. Г.К. Горанского. М.: Машиностроение, 1976. 240 с.

5. Архангельский А.Я. Программирование в С++ Builder 5. М.: ЗАО «Издательство БИНОМ», 2000. 1152 с.

6. Архангельский А.Я. Компоненты общего назначения библиотеки C++Builder 5. М.: ЗАО «Издательство БИНОМ», 2001. 416 с. Архангельский А.Я. С++ Builder 6. Справочное пособие. Книга 1. М.: ЗАО «Издательство БИНОМ», 2002. 544 с.

7. Архангельский А.Я. С++ Builder 6. Справочное пособие. Книга 2. М.: ЗАО «Издательство БИНОМ», 2002. 528 с.

8. Валович В.А., Керженцев А.Ф., Филатов И.Т. Нормирование расхода режущего инструмента в машиностроении: Справочник. Мн.: Беларусь, 1989. 176 с.

9. Ведмедовский В.А. Новый метод расчета стружкоделительных канавок протяжек и прошивок // Станки и инструмент. 1980. №2. С. 27-28.

10. Высокопроизводительные конструкции протяжек и их рациональная эксплуатация / Под ред. М.Н. Ларина. М.: Машгиз, 1960. 120 с.

11. Высокопроизводительное протягивание / В.Ф. Скиженок, В.Д. Леме-шонок, В.П. Цегельник. М.: Машиностроение, 1990. 240 с.

12. Гаврилов Ю.В., Матыгин С.А. Винтовая протяжка с групповой схемой резания // Прогрессивная технология чистовой и отделочной обработки: Тематич. сб. научн. тр. Челябинск: ЧПИ, 1980. № 249. С. 135-137.

13. Гаврилов Ю.В., Истомин В.М., Сайфутдинов С.Р. Определение площади стружечной канавки винтовых протяжек // Прогрессивная технология чистовой и отделочной обработки: Тематич. сб. научн. тр. Челябинск: ЧПИ, 1984. С. 11 14.

14. Гамарник Э.Я. Фасонные протяжки с винтовым зубом для малой длины протягивания//Авиационная промышленность. 1988. №1.С. 44.

15. Горанский Г.К., Бендерова Э.И. Технологическое проектирование в комплексных автоматизированных системах подготовки производства. М.: Машиностроение, 1981. 456 с.

16. Горецкая З.Д. Протягивание с большими подачами. М.: Машгиз, 1960. 204 с.

17. ГОСТ 28442-90 Протяжки для цилиндрических, шлицевых и гранных отверстий. Технические условия. Введен 01.02.90. М.: Изд-во стандартов, 1990. 16 с.

18. Гречишников В.А., Орлов В.Ф., Щербаков В.Н. Основные положения и рекомендации по проектированию и изготовлению металлорежущего инструмента в условиях единичного, мелкосерийного производства. М.: НИАТ, 1984. 43 с.

19. Гречишников В.А. Автоматизированные системы проектирования режущих инструментов // Механизация и автоматизация производства. 1986. №8. С. 9-12.

20. Гречишников В.А. Автоматизированное проектирование режущего инструмента как средство сокращения его расхода // Станки и инструмент. 1988. № 2. С. 7-9.

21. Гречишников В.А., Лукина С.В. Автоматизированное проектирование и прогрессивные конструкции режущего инструмента // Станки и инструмент. 2000. №9. С. 30-33.

22. Дечко Э.М. Расчет профиля винтовых канавок шнековых сверл // Машиностроение (Минск). 1979. №3. С. 125-127.

23. Драчук А.В. Протягивание винтовых шлицев. М.: Машиностроение, 1972. 88 с.

24. Единые нормативные материалы по расчету режимов резания и конструктивных элементов различных типов протяжного инструмента. М.: ВНИИТЭМР, 1986. 92 с.

25. Еремин Б.Ф. Протягивание. М.: Машгиз, 1950. 326 с.

26. Жигалко Н.И. Совершенствование конструкции протяжек. Мн.: Вы-шэйшая школа, 1966. 124 с.

27. Жигалко Н.И., Лемешонок В.Д., Кавзель Н.И. Протяжки для обработки поверхностей большой длины / Под общ. ред. Н. И. Жигалко. Мн.: Вышэйшая школа, 1973. 126 с.

28. Жигалко Н.И. Стружкообразование при различных условиях протягивания // Прогрессивная технология машиностроения: Межведомств, респ. научно-техн. сб. Мн: Вышэйшая школа, 1970. С. 102 115.

29. Зорев Н.Н. Вопросы механики процесса резания металлов. М.: Машгиз, 1956. 366 с.

30. Иноземцев Г.Г. Проектирование металлорежущих инструментов: Учеб. пособие для втузов по специальности «Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты». М.: Машиностроение, 1984. 272 с.

31. Инструментальное обеспечение автоматизированного производства: Учеб. для машиностр. спец. вузов / В.А. Гречишников, А.Р. Маслов, Ю.М. Соломенцев и др.; Под ред. Ю.М. Соломенцева. М.: Высш. шк., 2001.271 с.

32. Инструментальные системы автоматизированного производства: Учеб. для машиностр. спец. ВУЗов / Р.И. Гжиров, В. А. Гречишников, В.Г. Логашев и др. СПб.: Политехника, 1993. 399 с.

33. Инструменты для обработки точных отверстий / С.В. Кирсанов, В.А. Гречишников, А.Т. Схиртладзе, В.И. Кокарев. М.: Машиностроение, 2003.330 с.

34. Истомин В.М., Гаврилов Ю.В. Совершенствование конструкции винтовых протяжек для обработки сверхглубоких отверстий // Обработка материалов резанием: Материалы семинара. М., 1979. С. 129-132.

35. Кацев П.Г. Протягивание глубоких отверстий. М.: Оборонгиз, 1957. 231 с.

36. Кацев П.Г.Обработка протягиванием: Справочник. М.: Машиностроение, 1986. 272 с.

37. Кацев П.Г. Протяжные станки и работа на них. М.: Высшая школа, 1981. 184 с.

38. Кириленко А.Л. Влияние угла наклона канавки на напряжения и деформации сверл // Станки и инструмент. 1972. №1. С. 30-32.

39. Кириленко А.Л., Филиппов Г.В. Расчет деформаций и напряжений концевого режущего инструмента с винтовыми канавками // Станки и инструмент. 1978. №1. С. 29-30.

40. Колесов Н.В. Автоматизированное проектирование специального режущего инструмента // Станки и инструмент. 1986. №12. С.11-13.

41. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. 2-е изд./ Пер. с англ. под ред. И. Г. Арамановича. М.: Наука, 1970. 720 с.

42. Куликовский С.Ю. Автоматизация проектирования профиля винтовой канавки сверла // Резание и инструмент. Харьков: Вища школа, 1984. Вып. 31. С. 85- 87.

43. Кожевников Д.В. Современная технология и инструмент для обработки глубоких отверстий: Обзор. М.: НИИМАШ, 1981. 60 с.

44. Кунце М. Автоматизация конструирования режущих инструментов / Пер с нем.; Торгово-промышленная палата СССР. Ирк. отд-ние. Бюро переводов. Иркутск: Б.и., 1987. 135 с.

45. Лашнев С.И., Борисов А.Н. Расчет параметров профиля винтовой поверхности в произвольной секущей плоскости // Станки и инструмент. 1984. №12. С. 22-23.

46. Лашнев С.И., Юликов М.И. Проектирование режущей части инструмента с применением ЭВМ. М.: Машиностроение, 1980. 207 с.

47. Лашнев С.И., Юликов М.И. Расчет и конструирование металлорежущих инструментов с применением ЭВМ. М.: Машиностроение, 1975. 391 с.

48. Леонтьев А.А. Протяжки для обработки отверстий в пакетах из алюминиевых сплавов // Авиационная промышленность. 1986. №11. С. 49.

49. Леонтьев А.А., Подкуркова Г. М. Проектирование при помощи ЭВМ протяжек для обработки круглых отверстий //Авиационная промышленность. 1990. №3. С. 47.

50. Лукина С.В., Седов Б.Е., Гречишников В.А. Повышение эффективности протяжного инструмента на основе математического моделирования // Вестник машиностроения. 1977. №2. С. 23-26.

51. Люкшин B.C. Теория винтовых поверхностей в проектировании режущих инструментов. М.: Машиностроение, 1968. 372 с.

52. Максимов М.А., Кудинов М.И., Назарков В.А. Проектирование круглых протяжек: Учеб. пособие. Горький: ГПИ, 1974.102 с.

53. Максимов М.А. Основы методологии постановки задач расчета и конструирования металлорежущих инструментов с помощью ЭЦВМ: Учеб. пособие. Горький: Горьковский государственный университет, 1978. 76 с.

54. Маргулис Д.К., Гаврилов Ю.В. Обеспечение заданного превышения зубьев на режущей части винтовых протяжек // Прогрессивная технология чистовой и отделочной обработки: Сб. научн. тр. Челябинск: ЧПИ, 1976. № 178. С. 109-110.

55. Маргулис Д.К., Штраус В.А., Гаврилов Ю.В. Сборные круглые винтовые протяжки и особенности их изготовления // Станки и инструмент. 1977. №3. С. 18-20.

56. Маргулис Д.К., Муртазин Р.Х. Оптимизационные методы расчета протяжного инструмента // Известия вузов. Машиностроение. 1979. №9. С. 155-156.

57. Металлорежущие инструменты: Учебник для вузов по специальностям «Технология машиностроения», «Металлорежущие станки и инструменты» / Г.Н. Сахаров, О.Б. Арбузов, Ю.Л. Боровой и др. М.: Машиностроение, 1989. 328 с.

58. Ненов В.Н. Проектирование протяжек с помощью персонального компьютера//Машиностроитель. 1990. №2. С. 15-16.

59. Норенков И.П. Введение в автоматизированное проектирование технических устройств и систем. М.: Высшая школа, 1986. 304 с.

60. Обработка отверстий в пакетах из разнородных материалов режущими и деформирующими протяжками / A.M. Розенберг, О.А. Розенберг, Ю.Ф. Бусел, Я.Н. Робоковский. Киев: Наукова думка, 1975. 40 с.66.