Разработка теории, методов и средств формирования поверхностей сборными металлорежущими инструментами на основе системного моделирования процесса их проектирования

Актуальность проблемы. Правильный выбор инструмента является важнейшей составляющей технологической подготовки производства, а совершенствование инструментального обеспечения и разработка передовых методов управления им становится вопросом выживания предприятия в условиях рыночной экономики. Несмотря на наличие огромного практического опыта и теоретической базы в области проектирования инструмента на системном уровне, современные системы автоматизированного проектирования по комплексу свойств: гибкость, адаптивность, информационная надежность не отвечают ужесточившимися современным требованиям, что вызвано недостаточной разработкой теоретических основ построения таких систем.

Рыночная экономика заставляет предприятия машиностроительного профиля увеличивать и быстро менять номенклатуру производимой продукции, оперативно адаптируя продукцию к определенным заказчиком требованиям. Это значительно увеличивает номенклатуру инструмента и непрерывно изменяет технологию его изготовления, что приводит к хаотическому, не оптимальному выбору инструмента.

В настоящее время существует обширная литература по проектированию цельных или напайных режущих инструментов, в которой изложены методы их проектирования, практические рекомендации по их изготовлению и эксплуатации, стандарты, содержащие их типоразмеры, алгоритмы по их автоматизированному проектированию, заставляющие исследователей ограничиваться рассмотрением определенного класса обрабатываемых поверхностей и инструментов [15, 19, 21, 43, 57, 58, 68, 83, 84, 94, 97], отдельных этапов проектирования [1, 67, 70, 71, 79, 108], конкретных видов инструментов [11, 20, 22, 23, 24, 39, 40, 107] и автоматизации их расчета [3, 5−10, 16, 17, 56, 69, 80, 102, 103].

Все более обширное применение получает сборный металлорежущий инструмент, оснащенный сменными многогранными пластинами (СМП), а информации по методам их проектирования практически не существует.

Созданию обобщенных методов проектирования препятствует отсутствие единства в определении параметров сборных режущих инструментов и формируемых ими поверхностей, строгой формализации и логике связей между ними. Поэтому в настоящее время совершенствование конструкций существующих сборных режущих инструментов и создание новых конструкций происходит на уровне изобретений и практических рекомендаций.

Отсутствует также стройная теория, связывающая воедино процессы проектирования, позволяющая на стадии проектирования режущих инструментов управлять присущими им кинематическими и геометрическими параметрами, и процессами изготовления спроектированных инструментов.

Все вышесказанное объясняется следующими причинами:

1) отсутствием методологической базы, определяющей сборный режущий инструмент как объект исследования, выраженной в виде логической модели его проектирования;

2) отсутствием математического аппарата, способного отобразить все многообразие сборного режущего инструмента с единых позиций;

3) невостребованностью систем автоматизированного проектирования практикой, а также отсутствием соответствующих технических и программных средств для их воплощения.

Таким образом, существует необходимость исследований, направленных на разработку методов и средств проектирования, построение единой системы автоматизированного проектирования и изготовления любых видов, типов и конструкций сборного металлорежущего инструмента, основанной на общей геометрической модели формирования поверхностей режущими инструментами, решение которых позволит значительно сократить время на проектирование и технологическую подготовку производства сборного металлорежущего инструмента.

Цель работы состоит в сокращении сроков процесса проектирования и снижении трудоемкости технологической подготовки производства сборного металлорежущего инструмента на основе геометрической теории формирования поверхностей режущими инструментами.

Методы исследования. Теоретические исследования выполнены с использованием основных положений геометрической теории формирования поверхностей режущими инструментами и методов: дискретной математики, математической логики, векторно-матричной алгебры, дифференциальной геометрии и теории преобразования аффинных пространств. Для разработки программно-математического обеспечения использовались методы объектно-ориентированного программирования.

За основу логической модели с используемой в ней параметрами приняты положения, изложенные д-рами техн. наук Лашневым С. И., Борисовым А. Н., канд. техн. наук Емельяновым С. Г. [65] в монографии «Геометрическая теория формирования поверхностей режущими инструментами», а также в работах дров техн. наук. Гречишникова В. А., Ординарцева И. А., Родина П. Р., Лукиной C.B., канд. техн. наук Серовой Е. В., Лобановой C.B., Илюхина С. А., Яцун Е. И. Построение математического аппарата, формализующего логические построения модели, основано на базе многопараметрических отображений аффинного пространства, предложенных д-ром техн. наук Перепелицей Б. А. [77, 78], а также положений дифференциальной геометрии [13] и векторно-матричного анализа [45]. Реализация автоматизированных процедур, составляющих ядро САПР сборных инструментов, стала возможной благодаря появлению мощных персональных компьютеров и программного обеспечения, способных выполнить не только проектирование в трехмерном пространстве, но и численное моделирование работы спроектированных инструментов, а также подготовки управляющих программ для станов с ЧПУ и обрабатывающих центров, обеспечивающих простой и естественный переход от математического синтеза объектов к их изготовлению.

Научная новизна диссертационной работы состоит в:

• геометрических моделях формирования поверхностей режущими инструментами на основе векторно-матричного анализа и синтеза конструктивных элементов с учетом технологии их изготовления;

• установленных логических взаимосвязях модели в пределах выполнения сборными инструментами двух функций по формированию на заготовке требуемой формы и послойного срезания с нее припуска, с учетом качества формируемой поверхности;

• разработанных алгоритмах и программах математического синтеза объектов с учетом отображения в 3-х мерном пространстве, моделирования работы спроектированных инструментов, формирования управляющих программ изготовления сборных металлорежущих инструментов.

Структура работы.

В первой главе рассмотрены вопросы, связанные с формированием поверхностей. Здесь устанавливается связь параметров формируемой и исходной — формирующей поверхностей через систему выполняемых ими движений. Связь устанавливается посредством решения прямых, обратных и кинематических задач сопряжения поверхностей. В классификационном плане на этом этапе фиксируются способ формирования поверхности и вид инструмента.

Кроме единой задачи формирования поверхностей в первой главе решаются кинематические задачи для построчной обработки поверхностей инструментами с производящей линией и производящей поверхностью. Наряду с расчетом траектории движения они обеспечивают минимизацию шероховатости обрабатываемой поверхности при движении инструмента вдоль назначаемых строк проходов, а в случае инструментов с производящей линией — еще и заданные законы изменения значений переднего угла и угла наклона режущей кромки в точках контакта вдоль траектории движения.

Вторая глава посвящена формированию режущей части инструмента] Здесь устанавливается связь параметров производящей поверхности и режущих кромок через систему производящих линий на производящей поверхности. Связь устанавливается посредством решения ряда задач, в результате чего относительно производящей поверхности выставляются сменные многогранные пластины или резцовые вставки сборных инструментов, формируется представляемая графом конструкция инструмента с расчетом наладок и переналадок станков и приспособлений для его изготовления. Таким образом режущие инструменты оснащаются сменными многогранными пластинами или резцовыми вставками. Теоретическое решение этой проблемы (вместо практикуемой графической компоновки режущей части инструмента с последующей экспериментальной проверкой) сводится к такому размещению пластин относительно производящей поверхности, при котором обеспечивается рациональное распределение углов резания вдоль режущих кромок пластин, рациональная схема срезания припуска и требуемая шероховатость обрабатываемой поверхности. Само оснащение сводится к выбору пластины с помощью информационно-поисковой системыс учетом ее геометрии, наличия опорной пластины, струж-колома, используемого механизма крепления выполняется настройка типовых программ обработки гнезд на станках с ЧПУ. Положение пластины относительно производящей поверхности, а следовательно гнезда относительно корпуса, определяется из условия обеспечения в точке контакта пластины с производящей поверхностью значений трех углов — переднего, главного в плане и наклона режущей кромки. В случае инструментов с производящей линией выполняется, при необходимости, размещение пластин вдоль производящей линии и расчет траектории движения инструмента от гипотетической шестикоординатной системы координат до реально используемой двухкоординатной. Такой расчет является частным случаем кинематической задачи для инструментов с производящей линией. Чтобы обработать гнездо на корпусе инструмента, рассчитывается такая наладка станка и приспособления, при которой возможно выполнение типовой программы обработки гнезда с учетом произвольного распределения параметров наладки между станком и приспособлением. В классификационном плане на этом этапе фиксируются тип и конструкция инструмента.

Конструкция инструмента формируется на основе графов инструментов, с отражающих этапы проектирования, изготовления и эксплуатации инструментов. Узлам графа соответствуют системы координат элементов конструкции инструмента, обрабатываемой детали, станков и приспособлений для обработки детали и инструмента, инструментов второго порядка и т. д. Чем детальней проработаны конструкция инструмента, вопросы его изготовления, тем обширней граф. Дугам графа соответствуют матрицы перехода между системами координат. Матрицы могут рассчитываться с помощью назначаемых технологических параметров установки, или исходя из необходимости обеспечения каких-либо условий, или как произведение прямых и обратных матриц на пути графа от одной системы координат к другой. В результате моделирования этих матриц рассчитываются значения теоретических параметров относительной установки систем координат. Рассчитывается наладка и переналадка станков для обработки корпусов инструментов. Благодаря такому подходу граф становится математической моделью проектирования, изготовления и эксплуатации инструмента.

В третьей главе выполняется оценка инструмента путем численного моделирования его работы с расчетом: схемы срезания припускапараметров срезаемых слоев в виде переменных толщины, ширины и длины, а также площади контакта лезвия с припускомпараметров остаточных слоев припуска в виде высоты остаточных гребешков, их ширины по образующей и направляющей обрабатываемой поверхностираспределения значений рабочих углов резания (переднего, заднего, наклона режущей кромки) вдоль режущих кромок в процессе обработкиосновного технологического времени.

В четвертой главе осуществлена привязка общего математического аппарата к проектированию определенных по классификации модели режущих инструментов с иллюстрацией проектирования — сборных резцов, дисковых фрез, сверл и фрез для фрезерования шеек коленчатых валов.

Практическая ценность. Полученные в работе результаты теоретических исследований и экспериментальных проверок нашли применение при решении задач проектирования сборного металлорежущего инструмента в виде:

• программ для решения конкретных прикладных задач по проектированию существующих и исследованию вновь разрабатываемых режущих инструментов, позволяющих значительно сократить сроки проектирования и трудоемкость технологической подготовки производства;

• рекомендаций и инструкций по применению системы автоматизированного проектирования и изготовления;

• обучающего программного комплекса, который позволяет значительно ускорить подготовку пользователей в области автоматизированного проектирования и изготовления сборного металлорежущего инструмента.

Все разработанные методы представлены в виде блок-схем алгоритмов, обеспечивающих простой переход к их программной реализации. Блочно-иерархический принцип построения блок-схем гарантирует их информационную увязку и позволяет наращивать агрегативность за счет включения предыдущих блок-схем в последующие. Общефункциональные блок-схемы и составляют ядро системы автоматизированного проектирования сборных инструментов, позволяя генерировать бесчисленное множество конкретных задач.

Системная интеграция программно реализованных блок-схем позволяет составлять процедуры для решения конкретных прикладных задач по проектированию существующих и исследованию вновь разрабатываемых режущих инструментов, что и подтверждается рассмотренными в четвертой главе настоящей работы примерами.

Постановка задачи исследования.

Постановка задачи позволяет а) с учетом изменяющейся геометрии исходной поверхности рассматривать общее — скульптурное формообразование поверхностейб) в развитие одно-, максимум двухпараметрического огибания, рассматривать многоэтапное огибание, которое приводит к определению итоговой формируемой поверхности, минуя промежуточные вспомогательные огибающие поверхности отдельных этапов, либо к определению любой из этих вспомогательных поверхностей. Различные варианты очередности выполнения движений порождают различные комбинации вспомогательных поверхностей, т. е. различные варианты деления припускав) использовать любую кинематику в рамках шести степеней свободы благодаря переменности параметров относительной установки систем координат.

Общность решения задачи поддерживается а) методами перехода от частных способов задания поверхностей и их образующих к общим способам дискретного представления, а в случае необходимости — непрерывного представления на основе кубической сплайн-интерполяции дискретного представленияб) методом моделирования матриц, который позволяет по матрице перехода между системами координат рассчитывать значения теоретических параметров установки и их производных по параметрам движений. В тех случаях, когда матрица определена с помощью частных параметров установки, метод обеспечивает переход от частных параметров к общимв) структурой задачи, использующей дифференциальный и недифференциальный подходы к определению огибающих поверхностей.

Изложенная в диссертации геометрическая модель определяет основные контуры системы автоматизированного проектирования и изготовления любых видов, типов и конструкций сборных режущих инструментов. Структурно она предусматривает три блока проектных задач:

1) Формирование поверхностей.

2) Формирование режущей части инструментов.

3) Оценка режущих инструментов.

Решение этих блоков задач поддерживается следующими методами:

• дискретного представления поверхностей и их образующих;

• непрерывного представления поверхностей и их образующих на основе метода кубической сплайн-интерполяции;

• моделирования матриц;

• дифференциального определения огибающих поверхностей;

• недифференциального определения огибающих поверхностей;

• многоэтапного огибания;

• проверки локальной интерференции;

• проверки глобальной интерференции;

• расчета искажений огибающей поверхности при отсутствии касания, наличии локальной или глобальной интерференций;

• расчета линий пересечения огибающих поверхностей или их пересечения явно, либо параметрически заданными поверхностями;

• решения систем нелинейных уравнений;

• выбора корней при решении нелинейных уравнений, либо систем нелинейных уравнений;

• аналитического расчета траектории движения инструмента путем решения системы нелинейных уравнений;

• структурного расчета положения черновых режущих кромок;

• выбора сменных многогранных пластин, опорных пластин, стружко-ломов и механизмов крепления;

• расчета положения и ориентации пластин относительно производящей поверхности инструментов;

• графового описания конструкции инструмента, этапов его проектирования, изготовления и эксплуатации;

• расчета наладок и переналадок станков и приспособлений для обработки корпуса инструмента;

• расчета схемы срезания припуска;

• расчета параметров срезаемых слоев;

• расчета остаточных слоев;

• расчета рабочих углов резания вдоль режущих кромок в процессе обработки;

• расчета основного технологического времени.

2. Выводы.

2.1. Содержание представленных результатов соответствует выданному техническому заданию.

2.2. Работа выполнена на высоком научно-техническом уровне в соответствии с календарным планом и в установленные сроки.

2.3. Новизна заключается в разработке неиспользованного ранее принципов проектирования сборного металлорежущего инструмента на основе аналитически точного математического аппарата, удобного для автоматизированного расчета.

2.4. Научно-техническую продукцию считать принятой.

2.5. Договорная цена продукции с 1.01.1997 г. по 1.12.2000 г. составляет 150 000 (сто пятьдесят тысяч) рублей.

3. Эффект от внедрения:

3.1. Годовой экономический эффект составил 510 000 (пятьсот десять тысяч) рублей.

Расчет экономической эффективности находится на предприятии.