Анализ прочностных расчетов конструкций c использованием моделирующих программ. Автоматизированное проектирование фасонных резцов

Использование средств компьютерной поддержки инженерных решений обеспечивает повышение качества проектирования, снижение материальных затрат, сокращение сроков проектирования и в конечном итоге повышение экономической эффективности процесса производства изделий.

В качестве объекта проектирования рассматриваются широко используемые в машиностроительном производстве фасонные резцы. Математическое и методическое обеспечение процесса проектирования фасонных резцов апробировано в производстве.

Трудоемкость процесса проектирования вызвана тем, что для каждой новой детали разрабатывается конкретная индивидуальная конструкция резца. Конструктор вынужден повторять трудоемкие проектные процедуры, связанные со значительным объемом расчетов.

При разработке конструкции фасонных резцов проектировщик испытывает следующие трудности, ограничивающие достоверность результата при традиционном проектировании:

- переменная геометрия резания, создает проблемы с участками профиля резца, где углы в плане близки к нулю;

- ошибки при конструировании, изготовлении и установке инструмента приводят к погрешностям профиля детали, что должно быть учтено на этапе профилирования резца;

- возникающие в зоне резания высокие силы и температуры должны быть учтены во избежание погрешностей при обработке детали;

- требуемая высокая геометрическая точность профиля резца при шлифовании приводит к необходимости итерационного расчёта допусков на изготовление резца.

Данные проблемы при проектировании, эксплуатации и изготовлении фасонных резцов приводят к необходимости компьютерной поддержки, что во много раз повышает эффективность процесса проектирования.

Предложено автоматизированное проектирование фасонных резцов, состоящее из расчетных и графических модулей, связанных в единый проектный цикл. В качестве программного обеспечения используются графический пакет AutoCAD, расчетный пакет MathCAD.

Компьютерная поддержка предполагает следующие процедуры «Исходные данные», «Определение силы P_z», «Назначение и проверка геометрических и конструктивных параметров», «Профилирование фасонного резца». Результатом работы с пакетом является параметрический чертеж фасонного резца, выполненный в 3D систем CAD.

Алгоритм расчета круглого фасонного резца включает решение следующих основных задач [1]:

а) назначение и расчет геометрических и конструктивных параметров,

б) профилирование резца, т.е. определение его профиля в осевом сечении (рисунок 1).

Рисунок 1. Алгоритм расчета на ПК круглого фасонного резца

При проектировании фасонных резцов задний угол на вершине зуба выбирают в пределах 10-12°. Передний угол выбирают в зависимости от свойств материала заготовки: от 0° при обработке чугуна и бронзы до 25-30° при обработке меди и алюминия. Диаметр посадочного отверстия D = 0,6L^0..33P_z ^0..38 - для резцов односторонним креплением: D = 0,78L^0..33P_z ^0..25 - для резцов с двусторонним креплением, где L - длина деталей, мм; Р_z - главная составляющая силы резания, Н; Р_z = р_уд l_и, здесь р_уд - сила резания, приходящаяся на единицу длины режущей кромки резца; l_и' - проекция длины режущей кромки на ось резца. Рассчитанный по формулам диаметр посадочного отверстия округляют до стандартного значения (рисунок 1).

Наружный диаметр резца

d_a=

где f = 0,4D - толщина стенки резца, мм;

е = 3...8 - пространство для схода стружки, мм;

t = (r_max - r_min) - глубина профиля резца, мм;

r_тах и r_min - соответственно максимальный и минимальный радиусы детали.

Расчетное значение d_a округляют до целого, кратного пяти. Диаметр буртика с торцовыми зубьями d_б= (1,5...1,7)D. Диаметр выточки под головку оси d_в=1,4D +1, а ее длина l_в=5...8 мм. Длина шлифованной части отверстия l₁ = 0,25 (B - l_в); B = ( L_д + l_в + 6…8), где l_п - ширина подрезки (рисунок 1, процедуры 1-12 ).

Расчет профиля фасонного резца производят по узловым точкам детали, которые находятся на стыке участков профиля с различным характером образующих. На конических участках необходимо использовать дополнительную точку, а на участках с криволинейными образующими - не менее трех дополнительных точек.

На рисунке 1 представлены процедуры (1-12) для определения конструктивных и геометрических параметров и процедуры (13-23), необходимые для определения радиуса одной из узловых точек фасонного профиля круглого резца в соответствии с алгоритмом. Для расчета радиуса одной из точек круглого фасонного резца на рисунке 2 представлены параметры, необходимые для расчета.

Рисунок 2. К расчету фасонного резца на ПК

Аналогичным способом определяют радиусы других характерных точек фасонного профиля. Контролируют не радиусы характерных точек, а высотные размеры от какой-либо базы.

Для разработки CAD-системы проектирования фасонных резцов произведен анализ используемых методов профилирования фасонных инструментов.

Современные 3D-системы позволяют создавать трехмерные модели самых сложных деталей и сборок. Создаваемая конструктором геометрическая модель хранится в памяти компьютера как некоторое математическое описание и отображается на экране в виде пространственного объекта [2]. фасонный резец деталь инженерный

Необходимо отметить, что при 3D-проектировании резко уменьшается число ошибок в проекте. Можно наглядно видеть результат своей работы уже в процессе проектирования (рисунок 3).

Основным преимуществом трехмерного моделирования является возможность редактирования 3D-моделей с целью улучшения конструкции модели, либо получения иных видов фасонных резцов, используя расчетные данные, полученные в системе MathCad. Дерево построения (рисунок 4) фасонного резца содержит всю последовательность элементов

Рисунок 3. 3D-модель фасонного резца (изометрия, димметрия)

Рисунок 4. Дерево построения фасонного резца (эскизы, операции, объекты вспомогательной геометрии), составляющих резец, которые возможно изменить в любой момент [3].

Использование универсального математического пакета при выполнении инженерных задач позволяет существенно повысить эффективность трудоемких работ по определению параметров и оформлению документации алгоритмизированными процедурами. При осуществлении анализа полученных расчетных данных и использовании их в процессе проектирования резцов предоставляется возможность оперировать конструктивными данными, т.е. проводить многовариантные расчеты, с целью получения выверенных параметров. Также возможно проведение задачи оптимизации.

Весь процесс проектирования сводится к построению точных программно-выверенных пространственных твердотельных моделей, предоставляющих широкие возможности для анализа, синтеза и оптимизации вариантов конструкции.