Оптимизированная САЕ-подсистема как инструмент повышения эффективности производства

 

В статье рассматривается концепция САЕ-подсистемы в цепочке технологической подготовки производства. Описан способ описания напряженно-деформированного состояния и сил резания.
 
Современные условия производственно-хозяйственной деятельности предприятий характеризуются большой номенклатурой изделий, изготавливаемых относительно небольшими партиями. Для удовлетворения этим требованиям важной задачей становится обеспечение технологической гибкости производства, которая понимается как возможность быстрого освоения новых изделий. Поэтому при проектировании нового изделия конструкторы предъявляют повышенные требования к качеству и точности изготовления его составных частей. Известно, что уровень точности, который закладывается конструкторами при переходе от одного поколения изделия к другому, в среднем повышается на 20–40%. Для изготовления таких деталей наиболее передовые предприятия, такие как элита машиностроения – авиационная отрасль, применяют многоосевые обрабатывающие центры с ЧПУ. При умелом использовании именно обрабатывающие центры обеспечивают гибкость и конкурентоспособность производства, снижая трудоемкость маложестких сложнопрофильных деталей.
Кроме того, применение многоосевых фрезерных центров обусловлено не только возможностью обработки пространственно сложных профилей, но и тем, что для определенных типоразмеров таких деталей это единственный подходящий способ обработки. В частности, из-за малой жесткости заготовки лопатки на изготовление ее пера в процессе фрезерной многоосевой обработки оказывает влияние ряд факторов. Во-первых, фрезерование является тем видом лезвийной обработки, при котором постоянно изменяются силы резания, что приводит к вибрациям, деформациям и прогибам. Во-вторых, жесткость лопатки в системе СПИЗ (станок – приспособление – инструмент – заготовка) из-за геометрии пера и установки в приспособлении наименьшая, что также влияет на деформации и перемещения участков пера лопатки (прогибы) в процессе фрезерования. И, в-третьих, для многоосевой обработки характерно применение так называемых углов наклона и атаки оси вращения фрезы. В итоге рассчитанная траектория движения инструмента накладывается на искаженную в процессе обработки поверхность заготовки. Разница между предполагаемой траекторией, повторяющей поверхность математической модели детали, и действительной отражается на геометрических характеристиках получаемой после обработки детали.
Для описания и моделирования процессов специализированного резания, к которому относится и фрезерование сложнопрофильных поверхностей (типа шнек, лопатка) на современном этапе развития вычислительной техники применяются САПР технологических процессов. Однако в настоящее время при подготовке производства на достаточно приемлемом уровне организовано лишь взаимодействие CAD- и САМ-систем. Зачастую при технологической подготовке операций лезвийной обработки системы инженерных расчетов (САЕ) не задействуются. Тем не менее, например, для технологической подготовки производства штамповок существуют системы, позволяющие до работы непосредственно на оборудовании моделировать процесс штамповки. То же самое относится и к процессам литья.
Анализируя зарубежный опыт, можно сделать вывод, что основная цель проведения исследований за рубежом по применению алгебрологических методов для моделирования резания состоит в том, чтобы интегрировать имеющиеся системы автоматизированного инженерного расчета САЕ в общую цепочку технологической подготовки производства, которая действуют следующим образом:
- конструктор проектирует деталь в CAD-системе. Конечный продукт представляет собой твердотельную параметрическую модель;
- инженер-технолог разрабатывает технологический процесс изготовления детали, назначает режимы обработки;
- технолог-программист в САМ-системе разрабатывает по модели детали управляющую программу для станка с ЧПУ и проводит кинематическую симуляцию лезвийной обработки;
- технолог-программист дополнительно моделирует в САЕ-системе лезвийную обработку 3D-модели заготовки, обрабатываемой по управляющей программе.
Для реализации последнего этапа необходимо программное обеспечение, предполагающее работу с огромными массивами данных. Для этого требуется либо изменять существующие коммерческие программные продукты, ориентированные на решение задач сопротивления материалов (UG-Structures, Creo), либо создавать собственные. Опыт свидетельствует, что эффективнее использовать возможности готового программного продукта совместно с собственными алгоритмами, описывающими моделирование резания.
Место САЕ-системы, интегрированной в «цепочку» технологической подготовки производства, показано на рисунке 1.
Рис. 1. Место САЕ-системы в производственном циклеРассмотрим концепцию такой подсистемы для организации оптимальной, с точки зрения требуемой точности, обработки профилей винтовой поверхности шнека.
Входными параметрами являются:
- чертеж детали с указанием размеров и технических требований (математическая модель);
- технологический процесс изготовления детали (операционная карта) с указанием обрабатываемых поверхностей;
- режимы резания;
- параметры режущего инструмента с соответствующей геометрией;
- исходная управляющая программа.
На основании режимов резания и модели заготовки рассчитывается ее напряженно-деформированное состояние в процессе фрезерной обработки от сил резания, сил закрепления, вибраций в системе СПИЗ и возможных остаточных деформаций.
Приложение вместе с CAD- и САМ-системами формируют новую управляющую программу, учитывающую съем припуска во время обработки и, как следствие, изменение жесткости обрабатываемой заготовки. В итоге создается новая управляющая программа с параметрами, компенсирующими погрешности траектории.
Очевидно, что решение поставленной задачи возможно путем объединения систем автоматизированной подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ (САМ-системы), системы твердотельного моделирования (CAD-системы) и системы инженерных расчетов (САЕ-системы) и приложения, обеспечивающего взаи-модействие данных систем.
Необходимо отметить, что для автоматизации подобных расчетов на сегодняшний день уже создан целый ряд программ. Широко известны MathLab, Nastran, UG-Structure. Но, как показывает практика, их применение для решения узких задач, например лезвийной обработки, не приносит эффекта – эти программы не позволяют напрямую моделировать обработку резанием. Кроме того, неизвестен внутренний математический аппарат данных программ. Поэтому исследователи тех или иных процессов предпочитают самостоятельно разрабатывать собственные программы [1].
Использование же готовых программных продуктов без должного теоретического обоснования приводит к ошибкам по причине:
- нехватки исходных данных в связи с недостаточной изученностью процесса резания;
- сверхупрощения модели процесса;
- неправильного моделирования граничных условий;
- ошибок, связанных с топологией конечно-элементной сетки.
Исходя из вышеуказанного, можно сделать вывод, что в настоящее время нет достаточно универсальных автоматизированных компьютерных программ, которые бы при разработке управляющих программ для лезвийной обработки учитывали силы резания и прогибы заготовки в процессе обработки, а также съем припуска и были бы встроены в общую цепочку технологической подготовки производства.
При обработке объемных фасонных поверхностей, как правило, обеспечивается последовательный контакт инструмента с номинальной поверхностью – линейный или точечный (рис. 3а). Непоследовательный контакт инструмента с номинальной поверхностью может осуществляться при нерегулярном расположении режущих кромок на производящей поверхности, например, при глубинном шлифовании. При обработке фасонной поверхности с винтовым возвратно-вращательным движением может обеспечиваться как последовательный контакт одного участка номинальной поверхности, так и последовательный периодический неодновременный контакт инструмента с противоположенными сторонами профиля (рис. 3б). При этом значительно повышается производительность процесса.
Принципы, положенные в основу определения соотношений между движениями согласований, на основании вышесказанного могут быть следующие:
1) чистый обкат или обкат с минимальным скольжением;
2) обкат с постоянным скольжением , величина которого меньше единицы, применяется для уменьшения длины режущих кромок и, как следствие, уменьшения габаритов инструмента;
3) обкат с постоянным скольжением , величина которого больше единицы, применяется для увеличения длины режущих кромок и, как следствие, для увеличения стойкости инструмента;
4) обкат профиля с функционально изменяющимся проскальзыванием применяется для обеспечения условия неподрезания противоположенной стороны профиля;
5) одновременный обкат двух участков профилей (рис. 2б) с функциональным скольжением применяется для предварительной обработки противоположенной стороны профиля;
6) последовательное (рис. 3а) и периодическое неодновременное касание противоположенных сторон профиля номинальной поверхности (рис. 3б) при винтовом возвратно-вращательном движении инструмента применяется для повышения производительности процесса.
Рис. 2. Виды обкатных движений: а) с постоянным коэффициентом скольжения с формообразованием одного участка поверхности; б) с функционально изменяющимся коэффициентом скольжения при одновременном формообразовании двух участков поверхностиВ настоящее время в производстве широко распространено фрезерование маложесткого профиля пера лопатки на многоосевых обрабатывающих центрах, осуществляемое одновременно по 4-5 осям. При фрезеровании в различных точках профиля возникают перемещения участков заготовки (прогибы), достигающие величин, обычно соответствующих припуску на технологической операции. Траектория движения инструмента формируется в САМ-системе по 3D-модели «идеализированной» детали, а перемещения и деформации, которые могут возникнуть в процессе обработки, не учитываются. Поэтому возможно удаление материала обрабатываемой заготовки сверх припуска, либо, наоборот, его недорез.
Рис. 3. Виды точечных контактов производящей поверхности c номинальной: а) последовательный; б) последовательный периодический неодновременный по участкам поверхностейТраектория движения инструмента, рассчитанная для «идеальной» детали, накладывается на искаженную поверхность заготовки. Разница между предполагаемой траекторией – повторяющей поверхность 3D-модели детали – и действительной отражается на геометрических характеристиках получаемой после обработки детали. Такая траектория, примененная к действительной заготовке, вызывает дополнительный съем припуска, что может привести к браку. На точность обработки профиля пера лопатки влияют силы резания, закрепления, вибрации. Задача состоит в том, чтобы попытаться спрогнозировать данные погрешности для конкретной лопатки и скорректировать траекторию движения инструмента, чтобы исключить появление брака.
Метод расчета напряженно-деформированного состояния фрезеруемой заготовки и сил резания, принцип корректировки управляющей программы вкратце представлены далее. В качестве основы использованы математические формулировки метода алгебры логики.
 
ПРИНЯТЫЕ ДОПУЩЕНИЯ, НАИБОЛЕЕ ПРИЕМЛЕМЫЕ ДЛЯ АВТОМАТИЗАЦИИ РАСЧЕТОВ
 
- В процессе фрезерования износ инструмента отсутствует. При фрезеровании маложестких заготовок исходим из принципа: один инструмент – одна деталь.
- Деформации инструмента и приспособления отсутствуют. Считаем, что для рассматриваемого типа обрабатываемых заготовок деформациями инструмента и приспособления по сравнению с деформациями обрабатываемой заготовки можно пренебречь.
- Обрабатываемая заготовка представляет собой однородное поликристаллическое изотропное несжимаемое тело.
- Температура окружающей среды принимается равной 20°С.
- Математическая модель заготовки всегда соответствует заготовке в металле.
- Конструкция приспособления всегда выполнена в соответствии с требованиями технологического процесса.
- При расчете не учитывается влияние СОЖ, так как в большей степени применение СОЖ обусловлено необходимостью обеспечения нормальной работы инструмента.
Фрезерование, как и другие виды лезвийной обработки, в широком смысле состоит в пластическом деформировании и разрушении твердым клином более мягкой заготовки. Поэтому в основе резания лежат величины перемещений, задаваемые материалу заготовки и направления перемещений, определяемые режущим клином (инструментом). В данном случае допускаем, что перемещения инструмента, порождающие деформации металла, являются первичным процессом, определяющим дальнейшее развитие процесса резания наравне со свойствами обрабатываемого материала. Действительно, если рассматривать такие параметры процесса резания, как глубину t, подачу на оборот, геометрию инструмента (диаметр, передний угол, задний угол и т.д.), все они могут быть сведены к перемещениям частиц материала заготовки. Этот принцип лежит в основе расчета напряженно-деформированного состояния заготовки при фрезеровании. Следует также отметить, что для расчетов за пределами упругости возможно использовать метод переменной упругости [2], разработанный А.А. Ильюшиным и И.А. Биргером и применяемый для малых деформаций, хотя процессы лезвийной обработки связаны с большими перемещениями. В данном случае процесс удаления материала представлен набором малых конечных перемещений, прикладываемых к материалу.
 
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАСЧЕТА НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ КОНЦЕВОГО ФРЕЗЕРОВАНИЯ ЗАГОТОВКИ
 
В методе конечных элементов тело, подвергаемое расчету, рассматривается как набор элементов определенной формы, содержащих узлы. Результаты расчета привязаны к этим узлам и распределение какой-либо расчетной величины в теле определяется значениями, заданными в узлах элементов.
Представим обрабатываемую на станке маложесткую заготовку в виде трехмерного тела (балки) из материала с модулем Юнга Е и плотностью . Разобьем балку на элементы тетраэдральной формы (рис. 2). Данный тип конечного элемента является основным в данной работе, представляет собой симплекс-элемент и является лагранжевым элементом первого порядка с четырьмя узлами i, j, m, р в его вершинах. С правой стороны балка жестко защемлена (схематизация установки замка лопатки в центрах) – в этих узлах перемещения равны нулю. С левой стороны она находится на шарнирно-подвижной опоре (схематизация поджатия лопатки в заднем центре) – в узлах по одной координате задано числовое значение перемещения. Движение балки происходит в некоторой среде с коэффициентом вязкости С. Ведется фрезерование поверхности балки концевой фрезой, что обозначено проекциями периодических сил, приложенных к поверхности по всей области обработки через узлы. Смещения произвольных узлов балки от исходного положения под действием сил F(t) обозначим как , а реакции в опорных узлах как R. Как видим, значения перемещений известны в отдельных точках тела – это граничные условия и перемещения контактных областей балки от действия режущего инструмента. Если известна функция перемещения внутри тетраэдрального элемента N и известны перемещения в узлах этого элемента, то с помощью выражения (1) возможно найти перемещения в любой точке внутри элемента:

, (1)
где [N(x,y,z)] – функция формы элемента, {U}e – перемещения в узлах элемента.
Для рассматриваемого тетраэдрального элемента возможные проекции перемещений узлов на оси системы координат определяются по (2):
                                   
 
 
 
 
 ,(2)
где u, v, w – проекции перемещений на оси X, Y, Z для соответствующих узлов i, j, m, p. Функция формы тетраэдрального элемента N определена в работе [3].
Абстрагируясь далее от одного элемента к телу, в целом возможно определить неизвестные перемещения в узлах одних конечных элементов при заданных значениях в других.
Возвращаясь к рассматриваемой балке, запишем в дифференциальной форме квазигармоническое уравнение, описывающее физический процесс колебания балки:
 
 
 
 
 
 , (3)
где u – перемещения, К – модуль упругости материала, Q – приложенная в зависимости от времени нагрузка, – плотность материала, с – коэффициент вязкости.
Используя шесть компонентов деформаций, с помощью следующего выражения возможно определить шесть компонентов напряжений. В общем случае безотносительно к виду напряженно-деформированного состояния:
 
 
 
 
 
 , (4)
 
 
 
  
где  и  – деформации и напряжения, полученные на предыдущем шаге расчета или начальные деформации и напряжения, [D] – матрица деформаций.
Рассчитанные для каждого отрезка времени координаты узлов позволяют определить прогибы. Для этого значение координаты узла с предыдущего отрезка времени суммируется с текущим значением. Разница между полученным значением координаты и эталонным (например, для точки отсчета времени) дает значение прогибов в данной точке.
Рис. 4. Конечный элемент – тетраэдрСмысл представленных выше формулировок позволяет судить о том, что применительно к многоосевой фрезерной обработке сложных поверхностей изменение величины проекции силы резания на оси машинной системы координат приводит к изменению направления и величины прогибов. Это значит, что при задании различных углов наклона и атаки перемещения участков заготовки (прогибы), например в наименее жестком направлении ZM – поперек обрабатываемого профиля – изменяются, что отражается на точности поверхности, получаемой в процессе фрезерования.
Таким образом, авторами изложена концепция разработки управляющих программ для станков с ЧПУ. Предлагаемый подход включает в себя математическую модель и способ компенсации геометрических погрешностей многоосевого фрезерования маложестких сложнопрофильных деталей концевыми торцевыми цилиндрическими фрезами. Его применение позволяет корректировать траекторию управляющей программы исходя из неравномерности удаляемого с поверхности заготовки припуска. Это закономерно позволит гораздо полнее использовать возможности многоосевых обрабатывающих центров, добиваясь в итоге точности и повторяемости обработки в полном соответствии геометрическим параметрам электронной модели, а также сократить время на отладку сложных управляющих программ, обеспечив тем самым эффективность механического производства.
 
Литература:
1) Вивденко Ю.Н. Технологические системы производства деталей наукоемкой техники [Текст]/Ю. Н. Вивденко. – М.: Машиностроение, 2006. – 559 с., илл.
2) Малинин Н.П. Прикладная теория пластичности и ползучести [Текст]/Малинин Н.Н. – 2-е изд. перераб. и доп. М., «Машиностроение», 1975. – 400 с., илл.
3) Зенкевич О. Метод конечных элементов в технике [Текст]/Зенкевич О.: Пер. с англ. – М.: Мир, 1975. – 544 с., илл.

 


Версия для печати
Авторы: Сергей АМБРОСИМОВ, Липецкий государственный технический университет, Владимир ЕЖЕЛЕНКО, инженерно-консалтинговая компания «Солвер»
Разместить ссылку на: 


Добавить комментарий

Автор: *
Тема: *
Код c
картинки: *

Коментарий: