Повышение эффективности чистовой обработки сложнопрофильных деталей концевыми радиусными фрезами на пятикоординатных станках тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 00.00.00, кандидат наук Нгуен Ван Дык

• Нгуен Ван Дык
• кандидат наук
• 2025

Оглавление диссертации кандидат наук Нгуен Ван Дык

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. ЧИСТОВАЯ ОБРАБОТКА СЛОЖНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ КОНЦЕВЫМИ РАДИУСНЫМИ ФРЕЗАМИ

1.1 Технология и оборудование для изготовления деталей с поверхностями сложной формы, инструмент, используемый при обработке, пути повышения эффективности процесса формообразования

1.1.1 Технология и оборудование для изготовления деталей с поверхностями сложной формы

1.1.2 Инструмент, используемый при обработке сложных поверхностей

1.1.3 Пути повышения эффективности процесса формообразования сложных поверхностей

1.2 Влияние износа инструмента на процесс формообразования

сложных поверхностей

1.3 Методы расчета напряжений, возникающих в инструменте с учетом износа его режущей кромки, и критерии прочности инструмента

1.4 О методических подходах при выборе рациональных режимов резания и ориентации инструмента при формообразовании сложных поверхностей с учетом износа и прочности инструмента

1.5 Предположения, гипотезы, цель и задачи исследования

ГЛАВА 2. РАСЧЕТ СИЛ РЕЗАНИЯ И ПРОГНОЗИРОВАНИЕ ИЗНОСА ИНСТРУМЕНТА ПРИ ОБРАБОТКЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ КРФ

2.1 Методы расчета силы резания при обработке поверхностей КРФ

2.1.1 Аналитический расчет силы резания

2.1.2 Расчет силы резания с применением программного

комплекса инженерного анализа ABAQUS

2.1.3 Экспериментальное подтверждение адекватности модели

2.2 Прогнозирование износа инструмента при обработке поверхностей

КРФ

2.2.1 Теоретические основы исследования величины износа режущей кромки КРФ в процессе обработки

2.2.2 Экспериментальное исследование износа инструмента и прогнозирование его величины при обработке поверхностей

КРФ

2.2.3 Методика замены изношенного участка режущей кромки для продолжения обработки КРФ

2.3 Определение и анализ силы резания при обработке сложных поверхностей КРФ с учетом износа и ориентации инструмента

2.4 Вывод к главе 2 108 ГЛАВА 3. ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАПРЯЖЕНИЙ В КРФ ПРИ

ФОРМООБРАЗОВАНИИ СЛОЖНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

3.1 Зоны контакта поверхностей КРФ с заготовкой

3.1.1 Зона контакта передней поверхности КРФ со стружкой

3.1.2 Зона контакта задней поверхности КРФ с обработанной поверхностью

3.2 Силы, действующие на поверхности КРФ

3.2.1 Определение нормальных и касательных сил

резания Ы, F, N',F'

3.2.2 Распределение на поверхностях КРФ нормальных и касательных составляющих силы резания И, F, И', F' в зонах контакта с заготовкой

3.3 Моделирование напряжений в инструменте

3.3.1 Моделирование напряженного состояния КРФ с режущей кромкой без следов износа

3.3.2 Моделирование напряженного состояния в инструменте с учетом износа

3.3.3 Влияние износа инструмента на напряжения в инструменте

при обработке поверхностей КРФ

3.4 Зависимость напряжений в инструменте от его износа и угла наклонения при обработке поверхности КРФ

3.5 Вывод к главе

ГЛАВА 4. МЕТОДИКА ВЫБОРА РЕЖИМОВ РЕЗАНИЯ И ОРИЕНТАЦИИ

КРФ ПРИ ОБРАБОТКЕ СЛОЖНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ С УЧЕТОМ ПРОЧНОСТИ И ИЗНОСА ИНСТРУМЕНТА

4.1 Управление ориентацией КРФ при обработке поверхностей на пятикоординатных станках

4.2 Управляющая программа для пятикоординатного станка и точка контакта инструмента с поверхностью детали

4.3 Определение длины перемещения инструмента при обработке поверхностей КРФ

4.4 Методика выбора режимов резания и ориентации КРФ при обработке сложных поверхностей с учетом прочности и износа инструмента

4.5 Практическое применение методики выбора режимов резания и ориентации КРФ при обработке сложных поверхностей с учетом прочности и износа инструмента

4.6 Вывод к главе 4 168 ЗАКЛЮЧЕНИЕ 170 СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 173 Приложение А 184 Приложение Б 204 Приложение В

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности чистовой обработки сложнопрофильных деталей концевыми радиусными фрезами на пятикоординатных станках»

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность темы. Поверхности сложной формы широко представлены в деталях летательных аппаратов, в изделиях двигателе и судостроения, в автомобилях, в другой технике с аэро- и гидродинамическими обводами, художественных изделиях, таких как украшения, барельефы и скульптуры, бытовой технике и технологической оснастке для объемной штамповки и литья. В большинстве случаев формообразование таких поверхностей производится с применением чистовой обработки на пятикоординатных станках концевыми радиусными фрезами. При этом технология чистовой обработки должна обеспечивать требования, предъявляемые к качеству получаемых поверхностей деталей и эффективности процесса резания, что во многом определяется назначенными разработчиком условиями обработки, включая режимы резания и положение инструмента к образуемой поверхности в процессе построчного удаления припуска. В настоящее время справочные и применяемые методики выбора режимов резания позволяют решить задачи обеспечения требований к форме, размерам и микрогеометрии поверхностей деталей, в том числе и сложных, эффективность же выбранного решения, как правило, не оценивается и зависит от субъективных факторов, опыта технолога и оператора станка. До настоящего времени нерешенной остается задача достижения максимизации эксплуатационной работоспособности концевой радиусной фрезы (КРФ), определения необходимости внесения изменений в программу обработки и своевременной замены инструмента при достижении им критического износа и перенастройки технологического оборудования. Это обусловлено тем, что в нормативно-технической документации, рекомендациях и методиках, применяемых разработчиками технологии обработки сложных поверхностей, отсутствуют обоснованные критерии оценки инструмента с учетом его прочности и стойкости при различных режимах обработки, что приводит либо к неполному использованию его запаса прочности, либо к разрушению. Отсутствие методов оценки состояния КРФ под влиянием силовых воздействий, возникающих при

резании, не дает возможности прогнозировать наступление момента потери работоспособности участком режущей кромки сферической части инструмента, задействованной в образовании стружки (активный участок), что связано с достижением предельного его состояния с учетом прочностных характеристик и степени износа.

Повышение эффективности процесса чистовой обработки сложных поверхностей деталей, осуществляемой фрезерованием с использованием КРФ, может быть достигнуто путем максимизации эксплуатационной работоспособности инструмента, что позволяет снизить затраты на его приобретение, замену и настройку.

Максимизировать работоспособность инструмента представляется возможным путем назначения при подготовке производства обоснованных режимов резания и параметров, определяющих положение инструмента по отношению к образуемой при обработке поверхности. Отсутствие методики выбора режимов резания и прогнозирования без физических испытаний момента потери работоспособности участком режущей кромки КРФ с учетом её прочности и износа с целью своевременной замены инструмента или смены участка кромки сферической его части с критическим износом на участок без признаков износа, не дает возможности принять обоснованного технологического решения. Задачи, связанные с разработкой такой методики, требуют скорейшего решения и весьма актуальны.

Степень разработанности проблемы. Весомый вклад в разработку научно обоснованных технологических рекомендаций при выборе режимов резания с учетом запаса прочности режущего инструмента, внесли отечественные и зарубежные ученые, такие как Бетанели А.И, Лоладзе Т.Н, Артамонов Е.В, Ким А.Б, Bouzakis K.D и другие. В их исследованиях применено обоснованное условие, заключающееся в том, что при выбранных режимах резания напряжения, возникающие в режущем инструменте, не должны превышать допускаемых значений. Наиболее значимым является исследование, осуществленное Бетанели

А.И., в котором критерий запаса прочности представлен в виде рекомендованного диапазона, определяемого в зависимости от стоимости, ответственности конструкции с учетом однородности, хрупкости, остаточной напряженности инструментальных материалов. Вопрос выбора режимов резания с учетом запаса прочности режущего инструмента был решен только для свободного резания. Это обусловлено возможностью определения напряжений в режущем инструменте, характеризуемом простыми формами и кинематикой движения при резании. Для несвободного резания инструментом сложной формы, таким как КРФ, этот вопрос до настоящего времени остается открытым.

Решение вопроса по прогнозированию потери работоспособности участка режущей кромки фасонной фрезы при обработке поверхностей и необходимости замены изношенного участка на участок, не подвергшийся износу, представлено в работах Косенкова М.А, Luo Ming, Boujelbene M, Szymon Wojciechowskia, Vopat Tomas, Ozturk E., в которых работоспособность участка режущей кромки оценивается по критерию износа, прогнозируемого с помощью математических моделей, разрабатываемых на основе результатов экспериментов. В моделях работоспособность участка режущей кромки считается утраченной при достижении критического значения износа. Но при обработке деталей из высокопрочных материалов или при обработке инструментом малой жесткости кроме критерия потери работоспособности инструмента по износу должен учитываться и фактор, учитывающий его прочностные характеристики, что в представленных авторами результатах исследований не принималось во внимание.

Объектом исследования является технологический процесс обработки сложных поверхностей КРФ на пятикоординатных станках с ЧПУ.

Предметом исследования являются режимы резания и ориентация КРФ для повышения эффективности процесса обработки путем максимизации работоспособности инструмента с учетом прочности и износа.

Цель работы является повышение эффективности процесса обработки сложных поверхностей КРФ с учетом износа и прочности инструмента.

Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Определить условия достижения эффективности технологического процесса чистовой обработки при формообразовании сложных поверхностей деталей на пятикоординатных станках.

2. Определить критерии оценки работоспособности инструмента и достижения её максимизации при обработке поверхностей КРФ.

3. Разработать методики и алгоритм расчета силы резания при обработке поверхностей КРФ с учетом кинематики резания и механических свойств тел, участвующих в процессе.

4. Исследовать влияние износа режущей кромки инструмента и его ориентации на силы резания.

5. Разработать математическую модель прогнозирования износа инструмента при обработке поверхностей сложной формы.

6. На основе результатов экспериментальных исследований установить закономерности распределения износа вдоль активного участка режущей кромки КРФ.

7. На основе общих принципов, использованных авторами в ранее опубликованных работах при определении напряжений, возникающих в инструменте при свободном резании, разработать методику определения напряжений в инструменте при обработке поверхности КРФ.

8. Установить зависимость напряжений от величин износа инструмента и его ориентации.

9. Разработать методику назначения и уточнения условий резания, включая ориентацию инструмента в станке при формообразовании сложных поверхностей КРФ с учетом достижения максимальной работоспособности инструмента и эффективности процесса.

Методы исследований. Работа выполнена на основе использования теоретических положений технологии машиностроения, фундаментальных положений теории резания материалов и физики твердого тела, методов статистического анализа результатов экспериментальных исследований, математического моделирования с применением систем трехмерного моделирования, компьютерной обработки результатов микроскопии и систем инженерного анализа на основе метода конечных элементов.

Научная новизна работы состоит в следующем:

1. Установлены зависимости, определяющие влияние на эффективность технологического процесса чистовой пятикоординатной обработки поверхностей сложной формы деталей концевыми радиусными фрезами режимных параметров и ориентации инструмента.

2. Предложен аналитический метод расчета силы резания, влияющей на состояние инструмента с использованием её удельной величины, и математический аппарат моделирования нагрузок, возникающих в процессе резания в зубе КРФ при обработке сложной поверхности.

3. Выявлена неравномерность распределения износа задней поверхности режущего зуба КРФ, установлено и обосновано положение максимальной величины износа на эпюре его распределения по режущей кромке зуба.

4. Установлены зависимости максимального эквивалентного, нормального и касательного напряжений, возникающих в режущей кромке инструмента, от величины износа по задней его поверхности и угла наклонения инструмента.

5. Выведены математические зависимости наибольшей ширины износа режущего зуба КРФ от длины строк при перемещении инструмента в процессе обработки поверхности и угла его наклонения.

6. Предложены решения для увеличения продолжительности работоспособного состояния концевых радиусных фрез путем уточнения режимных параметров и положения инструмента в процессе чистовой обработки.

Теоретическая значимость работы состоит в следующем: установлена зависимость износа от длины перемещения инструмента в процессе обработки и угла его наклонения для обоснованного выбора режимных параметров при технологической подготовке производства деталей; выявлены основные закономерности распределения ширины износа вдоль активного участка режущей кромки; разработаны методики расчета силы резания и напряжений в инструменте, выбора режимов резания и ориентации КРФ с учетом прочности и износа.

Практическая значимость работы заключается в технологических рекомендациях для выбора и обоснованного назначения или уточнения режимов резания и ориентации КРФ с учетом прочности и износа инструмента при обработке сложных поверхностей на пятикоординатных станках; в руководстве пользователя программного комплекса расчета действующих при резании сил и напряжений в инструменте, возникающих при обработке, представленном в приложении к диссертации; в приведенных практических решениях, позволивших увеличить продолжительность работоспособного состояния маложесткого концевого инструмента со сферической режущей частью в 1,58 раза.

Достоверность полученных результатов обеспечена использованием высокоточного обрабатывающего и измерительного оборудования; применением МКЭ при моделировании процесса резания с максимальным совпадением условий заложенных в модели с практическими; экспериментальной оценкой адекватности разработанных моделей; непротиворечивостью выводам, сделанным другими авторами и опубликованным ранее. Достоверность выводов и положений диссертационной работы подтверждается большим количеством непротиворечивых и повторяемых результатов экспериментальных исследований, полученных с использованием современного оборудования и аттестованных методик, а также применением статистических методов обработки полученных данных.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Решения, обеспечивающие повышение эффективности технологического процесса чистовой пятикоординатной обработки поверхностей сложной формы деталей концевыми радиусными фрезами путем обоснованного назначения режимных параметров и ориентации инструмента.

2. Способ прогнозирования продолжительности работоспособного состояния концевых радиусных фрез в процессе чистовой обработки на стадии подготовки производства деталей со сложными поверхностями.

3. Аналитический способ определения сил резания и математическая модель, учитывающие геометрические особенности КРФ и образуемой стружки.

4. Математическая модель прогнозирования износа в зависимости от длины перемещения и угла ориентации оси вращения инструмента по отношению к образуемой поверхности, разработанная на основе двухфакторного регрессионного анализа.

5. Методика расчета напряжений в инструменте при обработке сложных поверхностей деталей КРФ.

6. Методика выбора режимов резания и ориентации КРФ при обработке сложных поверхностей с учетом прочности и износа инструмента.

Апробация работы. Основные результаты и положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-практической конференции «Жизненный цикл конструкционных материалов» (г. Иркутск, 2022, 2025); научно - технической конференции, посвященной памяти А.А Рыжкина (г. Ростов-на-Дону, 2023, 2024); научно - технической конференции «Автоматизированное проектирование в машиностроении» (г. Санкт - Петербург, 2024).

Соответствие диссертации паспорту научной специальности.

Диссертационная работа представляет собой научное обоснование новых технологических решений, совершенствующих методику процессов формообразования поверхностей деталей сложной формы на этапе изготовления, за счет исследования связей физико-технических процессов, протекающих при

удалении срезаемого слоя повышающих эффективность процесса резания. По теме и содержанию материалов диссертационная работа соответствует паспорту научной специальности 2.5.6 - «Технология машиностроения» раздела исследований п.2 (Технологические процессы, операции, установы, позиции, технологические переходы и рабочие хода, обеспечивающие повышение качества изделий и снижение их себестоимости), п.3 (Математическое моделирование технологических процессов и методов изготовления деталей и сборки изделий машиностроений), п.4 (Совершенствование существующих и разработка новых методов обработки и сборки с целью повышения качества изделий машиностроения и снижения себестоимости их выпуска).

Личный вклад. Диссертация является научно-исследовательской работой, в которой обобщены результаты исследований, полученные лично автором и в соавторстве. Автору работы принадлежит основная роль в получении и обработке экспериментальных данных, их анализе и обобщении всех полученных результатов. Основные положения и выводы диссертационной работы сформулированы и обоснованы лично автором.

Публикации. Результаты исследований изложены в 10 научных работах, из них в 5 публикациях - в журналах, рекомендованных ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 102 наименований и 3 приложений. Общий объем работы - 215 страницы, включая 15 таблиц и 87 рисунков.

ГЛАВА 1. ЧИСТОВАЯ ОБРАБОТКА СЛОЖНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ КОНЦЕВЫМИ РАДИУСНЫМИ ФРЕЗАМИ

1.1 Технология и оборудование для изготовления деталей с поверхностями сложной формы, инструмент, используемый при обработке, пути повышения эффективности процесса формообразования

1.1.1 Технология и оборудование для изготовления деталей с поверхностями

сложной формы

Поверхность сложной формы это такая поверхность, в дифференциальной окрестности каждой точки которой главные кривизны изменяются от одной ее точки к другой бесконечно близкой либо по величине, либо по ориентации главных секущих плоскостей, либо одновременно по величине и по ориентации главных секущих плоскостей [45]. В практике поверхности сложной формы широко представлены в деталях летательных аппаратов, в двигателе и судостроении, в автомобилях, в другой технике с аэро- и гидродинамическими обводами, художественных изделиях, таких как украшения, барельефы и скульптуры, в бытовой технике и технологической оснастке для объемной штамповки и литья. Эти детали разделяются на три класса: инструмент; детали; полуфабрикаты и заготовки [13].

• К классу инструмента относятся модели, штампы или пресс-формы, которые воспринимают большие нагрузки или работают в условиях высоких напряжений (рисунок 1.1).

• Класс деталей включает детали узлов или механизмов машин и приборов как лопатки турбин, гребной винт, винтовое колесо, панели и другие (рисунок 1.2).

• Класс полуфабрикатов и заготовки составляет детали, которые являются результатом выполнения предварительных операции, как-то: изделия, полученные листовой штамповкой в авто- и самолетостроения, а также поковки, идущие на изготовление крупных штампов и пресс-форм.

а б в

Рисунок 1.1 - Класс инструмента: а - модель для изготовления шины автомобиля;

б - матрица для литья шатуна; в - пресс-формы для диска колес автомобиля

а б в

Рисунок 1.2 - Класс деталей: а - турбинная лопатка; б - гребной винт; в -

спиральная коническая шестерня

Детали скульптурных поверхностей, включающие горельефы и барельефы, могут быть разделены на классы деталей или полуфабрикатов и заготовки в зависимости от метода изготовления. Скульптурные поверхности, полученные путем объемной штамповки или поковки, входит в класс полуфабрикатов и заготовки (рисунок 1.3, в), а по методу резания, входит в класс деталей (рисунок 1.3, а, б).

В технике детали классов инструмента и деталей выполняют основную роль в процессе эксплуатации и в большинстве случаев к таким поверхностям предъявляются повышенные требования не только по точности и шероховатости, но и износостойкости, прочности и долговечности. Поэтому детали с такими поверхностями, как правило, изготавливаются из высокопрочных материалов и(или) подвергаются термообработке.

а б в

Рисунок 1.3 Детали, имеющие скульптурные поверхности: а - сувенир; б-

модульон; в - медаль

Выполнение таких требований достигается за счет принятия обоснованных технологических решений на стадии подготовки производства: выборе оборудования, инструмента, технологии формообразования, включая стратегию и последовательность, выборе способов определения размеров, других характеристик и факторов, определяющих качественные характеристики [13]. При этом глубина проработки технологии, выбор технологического оборудования и инструментов становятся основными факторами, влияющими на качество получаемого изделия, производительность процесса и другие технико-экономические показатели. Принимая во внимание, что детали сложной конфигурации получают из металлических сплавов и полимерных материалов фрезерованием, технология образования сложной формы представляет собой процесс снятия материала с заготовки путем вращения режущего инструмента с заданными режимами и движениями по сложным траекториям, построенным по точкам, принадлежащим образуемой поверхности [65]. Укрупненно технологическая подготовка процесса включает в себя 3 основных этапа: 1 -выбор режущего инструмента и оборудования для обработки (обрабатывающие станки с ЧПУ); 2 - разработка траектории движения инструмента с использованием систем CAM с учетом возможностей выбранного станка, инструмента и результатов проверки на зарезания и столкновения инструмента и шпиндельной оснастки с заготовкой и технологическими приспособлениями

(верификация); 3 - генерирование управляющей программы по разработанной траектории движения инструмента с последующей корректировкой этой программы в соответствующие коды станка и обработка детали (симуляция) [80]. Наиболее ответственным является первый этап, связанный с выбором режущего инструмента и обрабатывающего станка, так как последующие решения полностью зависимы от этого.

Выбор обрабатывающего станка производится с учетом возможностей предприятия. Опыт и состояние мировой производственной базы металлообработки показывает, что существует две основные тенденции применения обрабатывающих станков: на заводах с большим финансовым потенциалом, выпускающих изделия сложных форм, используются пятикоординтные станки, а на заводах, выпускающих детали простых форм, используются трехкоординатные станки [80].

Для трехкоординатных станков траектория движения инструмента разрабатывается в системе САМ стратегий, построенных на основе свободного перемещения инструмента по трем осям координат. Сущность этих стратегий заключается в том, что генерируемые строки траектории движения инструмента могут быть расположены равномерно либо по вертикальной оси 7, либо по заданным направлениям или по математическим закономерностям в горизонтальной плоскости [82] как показано на рисунке 1.4. По сути, выбор стратегии обработки в основном зависит от наклона поверхности детали к плоскостям системы координат станка. При обработке поверхности детали с большим наклоном применяется стратегия с равномерным распределением строк траектории движения инструмента в вертикальных плоскостях, а при обработке с малым наклоном применяется стратегия с равномерным распределением строк в горизонтальных плоскостях.

Технология обработки сложных поверхностей на трехкоординатных станках позволяет решить большинство производственных задач, но в некоторых случаях не может быть реализована в связи с ограниченными возможностями

работы инструмента в рабочей зоне станка и необходимостью выполнения требований по многочисленным переустановкам инструмента [80]. Для таких случаев необходимо применять методы и технологию обработки, позволяющих существенно повысить возможности режущего инструмента, определяющие его работоспособность.

г д е

Рисунок 1.4 - Стратегия обработки на трехкоординатных станках: а - контурная; б

- зигзаг; в - горизонтальная; г - радиальная; д - спиральная; е - карандашная [82]

Появление пятикоординатного металлорежущего оборудования открыло совершенно новые возможности в развитии технологии формообразования сложных поверхностей и снимает проблемы, возникавшие прежде в решении технологических задачи при применении трехкоординатных станков. При обработке на пятикоординатных станках кроме свободного перемещения по трем осям инструмент может одновременно осуществлять поворот вокруг двух осей. Именно это преимущество сделало возможным реализовать новый подход в построении стратегий обработки в системе CAM. В стратегиях обработки поверхностей на таком оборудовании используются 5 координат для описания положений инструмента. При этом 3 декартовых координаты предназначены для описания точки инструмента, находящейся в контакте с поверхностью детали, а

две поворотных координаты определяют ориентацию оси его вращения [56]. Двумя поворотными координатами технолог может обеспечить ориентацию инструмента даже для работы в самой узкой пространственной рабочей зоне (рисунок 1.5, в). Траектория движения инструмента, разработанная с учетом этих преимуществ, позволяет вести обработку труднодоступных частей поверхности детали без переустановки заготовки, а генерируемые строки траектории распределены оптимально [85], как показано на рисунке 1.5.

где Рисунок 1.5 - Обработка сложных поверхностей на пятикоординатных станках:

а - наклонная плоскость; б - диск компрессора; в - канал двигателя; г - часть пресс-формы шины; д - пространственные канавки; е - корпусная деталь робота

[82].

Обработка без переустановок и оптимальное распределение строк траектории движения инструмента приводят к значительному повышению точности, обеспечению требуемого качества образуемой поверхности и достижению высокой эффективности процесса. Эти очевидные различия доказывают преимущества применения технологии обработки на пяткоординатном оборудовании в сопоставлении с обработкой на трехкоординатных станках.

Но вместе с преимуществами, сложным вопросом при разработке траектории движения инструмента на пятикоординатном станке остается проверка на возможность появления зарезаний и исключения столкновений подвижных частей станка с заготовкой, с обработанной частью детали, со станочной и технологической оснасткой. Исключение таких ситуаций требует от разработчика программ глубокого понимания и знаний в области пятикоординатных стратегий обработки и их применения, умения точного определения допускаемых и безопасных зон работы инструмента, знания конструктивных особенностей оборудования, включая предельные повороты стола и шпиндельной части станка. При проверке движения инструмента модель системы заготовка-инструмент-станок, механизм поворота стола или головки станка должны максимально соответствовать реальным объектам [80]. Перечисленные проблемы устраняются путем включения в программы курсов обучения, реализуемых производителями станков, разделы, связанные с изучением пятикоординатого программирования, эксплуатации станков и применения прикладных программ САМ.

В настоящее время технология обработки сложных поверхностей на пятикоординатных станках достаточно хорошо освоена, её дальнейшее совершенствование и развитие связано с разработкой методов и средств, обеспечивающих обоснованный выбор инструмента и режимов обработки, увеличение периода работоспособности инструмента, уменьшение времени на вспомогательные операции на смену инструмента и увеличение эффективности процесса резания.

1.1.2 Инструмент, используемый при обработке сложных поверхностей

При обработке сложных поверхностей в качестве инструмента, как правило, применяют КРФ. Геометрия и кинематика процесса обработки с позиций технологии в настоящее время достаточно хорошо изучены и реализованы в САМ системах трех и пяти координатного фрезерования. С точки зрения динамики и

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Нгуен Ван Дык, 2025 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Абуладзе, Н.Г. Характер и длина пластического контакта стружки с передней поверхностью инструмента / Н.Г Абуладзе // Обрабатываемость жаропрочных и титановых сплавов: сб.научн.трудов. - Куйбышев: Куйбышевское обл.кн изд-во, 1962.

2. Артамонов, Е.В. Оптимизация процессов обработки резанием деталей из труднообрабатываемых материалов на токарных станках с ЧПУ / Е.В Артамонов, И.А Ефимович. - Тюмень: ТюмИИ, 1994. - 83 с.

3. Бетанели, А.И. Прочность и надежность режущего инструмента / А.И Бетанели. -Т.: Сабчота Сакартвело, 1973. - 301 с.

4. Бобров, В.Ф. Основы теории резания металлов / В.Ф Бобров. -М.: Машиностроение, 1975. - 344 с.

5. Вадачкория, М.П. К расчету напряжений в плоском упругом клине / М.П Вадачкория // Труды Груз. политехн. инс-та. - 1973. - №7. - С. 147-151

6. Верещака, А.С. Технологические процессы повышения работоспособности металлорежущего инструмента / А.С Верещака, В.В Высоцкий, Б.Я Мокрицкий, А.А Саблин. - Комсомольск-на-Амуре: Изд-во КнА. гос. техн. ун-та, - 2013. - 208 с.

7. Вульф, А.М. Резание металлов / А.М Вульф. -М.: Машиностроение, 1973. - 496 с.

8. Гмурман, В. Е. Теория вероятностей и математическая статистика: учеб. Пособие / В.Е Гмурман. - М.: - Высшая школа, 2002. - 479 с

9. ГОСТ 1050-2013. Металлопродукция из нелегированных конструкционных качественных и специальных сталей. Общие технические условия. - Введен. 01.01.2025. - М.: Издательство стандартинформ, 2014. - 32 с.

10. ГОСТ 16231-81. Фрезы концевые радиусные с коническим хвостовиком для обработки легких сплавов. Конструкция и размеры. - Введен. 01.01.1983. - М.: Издательство стандартов, 1981. - 7 с.

11. ГОСТ 2789-73. Шероховатость поверхности. Параметры и характеристики. - Введен. 23.04.1973. - М.: Издательство стандартинформ, 2018. -7 с.

12. Грановский, Г.И. Резание металлов /Г.И Грановский, П.П Грудов, В.А Кривоухов, М.Н Ларин, А.Я Малкин. - М: Машгиз, 1954. - 471 с.

13. Дружинский А.И. Методы обработки сложных поверхностей на металлорежущих станках / А.И. Дружинский. - М.: Машиностроение, 1965. - 600с.

14. Жуков, Э.Л. Влияние параметров резания на качество поверхности деталей из перспективных труднообрабатываемых сплавов / Э.Л Жуков, С.А Любомудров, А.А Радкевич, О.Ю Ротаренко // Машиностроение. Научно-технические ведомости Санкт-Петербург. гос. политехн. ун-та. - 2014, - № 2. -С.187-193.

15. Зорев, Н.Н. Вопросы механики процесса резания металлов / Н.Н Зорев. - М.: Машгиз, 1956. - 367 с

16. Зорев, Н.Н. Исследование элементов механики процесса резания металлов / Н.Н Зорев. - М.: Машгиз, 1952. - 364 с

17. Зорев, Н.Н. О взаимозависимости процессов в зоне стружкообразования и в зоне контакта передней поверхности инструмента / Н.Н Зорев // Вестник машиностроения. - 1963. - №12.

18. Касьянов, В. А. Эконометрика / В.А Касьянов. - Екатеринбург. - 2008. Изд-во УГТУ-УПИ. - 200 с.

19. Ким, А.Б. Резание металлов и режущий инструмент / А.Б Ким. -Томск. Изд-во Томск. политехн. ун-та, 2013. - 72 с.

20. Козлов, В.Н. Влияние вида нагружения на расчёт внутренних напряжений в режущем клине / В.Н Козлов, Ц Чжан // Известия Тульского государственного университета. - 2017. - №8. Часть 2. - С. 88-94.

21. Коллектив авторов. Развитие науки о резании металлов / В.Ф Бобров, Г.И Грановский, Н.Н Зорев, А.И Исаев, М.И Клушин, М.Н Ларин, Т.Н Лоладзе, Е.Н Маслов, А.А Маталин, А.В Подзей, А.Н Резников, И.П Третьяков, М.Ф

Полетика, Я.И Адам, А.И Бетанели, С.А Попов, Н.И Ташлицкий. - М.: Машиностроение, 1967. - 417 с.

22. Косенков, М.А. Исследование износа дискового инструмента и моделирование температуры в зоне контакта при фрезеровании со смещением вершины режущей кромки относительно поверхности резания / М.А Косенков // Трение и смазка в машинах и механизмах. - 2013. - №10. - С. 38-40.

23. Кострюков, Я.Х. Динамика фасонного фрезерования / Я.Х Кострюков. - Ленинград: Машгиз, 1950. - 143 с.

24. Куфарев, Г.Л. Зависимость силы резания от износа / Г.Л Куфарев, А.А Козлов // Известия Томского ордена трудового красного знамени политехнического политеха имени С.М Кирова. - 1970. - №157. - С. 136-140.

25. Лоладзе Т.Н. Прочность и износостойкость режущего инструмента / Т.Н Лоладзе. -М.: Машиностроение, 1982. - 320 с

26. Медведев, Ф.В. Зонирование скульптурных поверхностей при формообразовании переходов фрезерной обработки на станках с ЧПУ: дис. ... канд. тех. наук: 05.02.08 / Ф.В. Медведев. - Иркутск, 2003. - 160 с.

27. Мурашкин, Л.С. К вопросу о расчете силы резания / Л.С Мурашкин // Научно-техн.информ. бюллетень ЛПИ имени М.И. Калинина. - 1959. - №4. - С. 51-62.

28. Нгуен Т.Х.Т. Повышение работоспособности концевых радиусных фреза при обработке сложных поверхностей на пятикоординатном станке: дис. ... канд. тех. наук: 05.02.08 / Нгуен Т.Х.Т. - Ханой, 2022. - 154 с.

29. Нгуен, Ш.Х. Совершенствование процесса обработки поверхностей сложной формы сфероцилиндрическими фрезами: дис. ... канд. тех. наук: 05.02.08 / Ш.Х Нгуен. - Иркутск, 2019. - 165 с.

30. Общемашиностроительные нормативы времени и режимов резания для нормирования работ, выполняемых на универсальных и многоцелевых станках с числовым программным управлением. в 2 ч. Ч.2. Нормативы режимов резания. - М.: - Москва экономика, 1990. - 473 с.

31. Остафьев, В.А. Расчет динамической прочности режущего инструмента / В.А Остафьев. -М.: Машиностроение, 1979. - 168 с.

32. Палк, К.И. Расчет силы резания при работе сферо - цилиндрическими фасонными фрезами / К.И Палк, Н.Г Переломов, В.М Свинин // Труды ЛШ. Точность и производительность механической обработки. - 1980. - № 368. - С. 136-141.

33. Переломов, Н.Г. Экспериментальное определение кривых деформированного упрочнения при растяжении и сжатии / Н.Г Переломов // Научно-техн.информ. бюллетень ЛПИ имени М.И. Калинина. -1962. - №2. - С. 6267.

34. Писаренко Г.С. Деформирование и прочность материалов при сложном напряженном состоянии / Г.С Писаренко, А.А Лебедев. -К.:. Наукова думка, 1976. - 415 с.

35. Писаренко, Г.С. Прочность металлокерамических материалов и сплавов при нормальных и высоких температурах / Г.С Писаренко, В.Т Трощенко, В.Г Тимошенко, В.А Кузьменко, Г.В Исаханов, Г.Н Третьяченко. - К.: Академии наук Украинской ССР, 1962

36. Полетика, Ф.М. Контактные нагрузки на режущих поверхностях инструмента / Ф.М Полетика. - М.: Машиностроение, 1969. - 148 с.

37. Пономарев, Б. Б. Определение рациональных режимов резания при обработке поверхностей концевыми радиусными фрезами с учетом прочности инструмента / Б.Б Пономарев, Нгуен Ван Дык // Автоматизированное проектирование в машиностроении. - 2024. - №17, -С. 93-97.

38. Пономарев, Б.Б. Влияния ориентации инструмента на силы резания при концевом фрезеровании / Б.Б Пономарев, Нгуен Ши Хьен // Известия высших учебных заведений. - 2019. - № 3(708). - С. 11-20.

39. Пономарев, Б.Б. Моделирование напряженного состояния концевой радиусной фрезы при формообразовании сложной поверхности / Б.Б Пономарев,

Нгуен Ван Дык // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. - 2023. - №7. - С. 64-76.

40. Пономарев, Б.Б. Оценка шероховатости при пятикоординатном чистовом фрезеровании поверхностей сфероцилиндрической фрезой / Б.Б Пономарев, Нгуен Ши Хьен // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. - 2020. - № 5 (722). - С. 21-31.

41. Пономарев, Б.Б. Повышение работоспособности инструмента при формообразовании поверхности концевыми радиусными фрезами / Б.Б Пономарев, Нгуен Ван Дык // Металлообработка. - 2024. - №2. - С. 3-15.

42. Пономарев, Б.Б. Расчет напряжений в зоне износа режущей части концевой радиусной фрезы / Б.Б Пономарев, Нгуен Ван Дык // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. - 2025. - №1. - С. 61-75.

43. Пономарев, Б.Б. Расчет силы резания при формообразовании сложных поверхностей концевыми радиусными фрезами. Часть 1 / Б.Б Пономарев, Нгуен Ван Дык // Металлообработка. - 2023. - №6. - С. 3-11.

44. Пономарев, Б.Б. Расчет силы резания при формообразовании сложных поверхностей концевыми радиусными фрезами. Часть 2 / Б.Б Пономарев, Нгуен Ван Дык // Металлообработка. - 2023. - №6. - С. 12-21.

45. Радзевич С.П. Формообразование сложных поверхностей на станках с ЧПУ / С.П. Радзевич. - К.: Выща шк., 1991. - 192 с.

46. Репин, В.М. Оптимизация обработки деталей сложной формы на трехкоординатных фрезерных станках с ЧПУ: дис. ... канд. тех. наук: 05.02.08 / В.М Репин. - Иркутск, 1999. - 174 с.

47. Розенберг, А.М. Резание металлов и инструмент / А.М Розенберг. -М.: Машиностроение, 1964. - 228 с.

48. Розенберг, А.М. Элементы теории резания металлов / А.М Розенберг, А.Н Еримин. -М.: Машгиз, 1956. - 341 с.

49. Руководство пользователя «Abaqus 2016» [Электронный ресурс]. -Режим доступа: URL: http://abaqus.software.polimi.it/v2016/ (дата обращения 12.10.2023).

50. Свинин В.М. Фрезерование с модулированной скоростью резания / В.М Свинин. Иркутск. - 2007. Изд-во ИРНИТУ. - 304 с.

51. Свинин, В.М. Алгоритм расчета составляющих сил резания и изгибающего момента при работе сферическим торцом концевой фрезы / В.М Свинин // Динамика, прочность и надежность в машиностроении: сб. научн. трудов. - Чита: Изд-во ЧПИ, 1984. - С. 46-53.

52. Табаков, В.П. Износостойкие покрытия режущего инструмента, работающего в условиях непрерывного резания / В.П. Табаков, А.В. Чихранов. -Ульяновск: Изд-во Ул. гос. техн. ун-та, - 2007. - 255 с.

53. Туманов, В.И. Влияние состав и структуры сплавов системы WC-Co и TiC-WC-Co на предел прочности при сжатии / В.И Туманов, В.Ф Функе, З.И Павлова, Т.А Новикова, К.А Быстрова // Физика металлов и металловедение. -1963. - Том.2. - №2.

54. Управление положением инструмента при программировании 5-осевой обработки. URL: http:// sapr.ru/article/23445 (дата обращения 01.06.2025)

55. Феодосьев, В.И. Сопротивление материалов/ В.И. Феодосьев. - М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 1999. - 592 с.

56. 5-axis in NX CAM. URL: http://plm.sw.siemens.com (дата обращения 6.12.2024)

57. Agmell, M. The influence of tool micro-geometry on stress distribution in turning operations of AISI 4140 by FE analysis / M Agmell, A Ahadi, O Gutnichenko, J-E Stahl // Int J Adv Manuf Technol. - 2017. - Vol. 89. - P.3109-3122.

58. Altintas Y. Mechanics and Dynamics of Ball End Milling / Y. Altintas, P. Lee // ASME J. Manufact. Science and Eng. - 1998. - Vol. 120. - P. 684-691.

59. Andria, S. Tool Life when High speed Ball nose end Milling Iconel 718 / S. Andria, C.D Richard, K.A David // Journal of Materials Processing Technology. -2001. - Vol. 118 (1-3). - P. 29-35.

60. Aramcharoen A. Size Effect and Tool Geometry in Micromilling of Tool Steel / A Aramcharoen, P.T Mativenga // Precision Engineering. - 2009. - Vol. 33. - P. 402-407.

61. Balazs, B.Z. Experimental Investigation and Optimization of the Micro Milling Process of Hardened Hot Work Tool Steel / B.Z Balazs, M Takacs // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. - 2020. - Vol. 106. - P. 5289-5305.

62. Barrow, G. Determination of Rake Face Stress Distribution in Orthogonal Machining / G Barrow, W Graham, T Kurimoto, Y.F Leong // International Journal of Machine Tool Design and Research. - 1982. - Vol. 22(1). - P.75-85.

63. Boujelbene, M. Tool Wear Analysis Of Ball Nose End Mill In The Finish Machining Of Free Form Surfaces / M. Boujelbene, M.B Mhamdi, B Ayadi, H.P Singh // Materials Today: Proceedings. - 2020. - Vol. 26. - P. 1289-1292.

64. Bouzakisa, K.D. Optimization of the Cutting Edge Radius Of PVD Coated Inserts In Milling Considering Film Fatigue Failure Mechanisms // K.D Bouzakisa, N Michailidisa, N Vidakisa, K Efstathioua, T Leyendecker // Surface and Coatings Technology. - 2000. - Vol.133-134. - P.501-507.

65. Brown A.D. Practice treatise on milling and milling machine / A.D Brown, S. Hardware. - USA.: Columbia State University, 1914. - 334 pp.

66. Budak E. Modeling and Simulation of 5-axis Milling Processes / E. Budak, E. Ozturk, L.T. Tunc // CIRP Annals. - 1990. - Vol. 58(1). - P. 347-350.

67. Budak E. Prediction of Milling Force Coefficients from Orthogonal Cutting Data / E. Budak, Y. Altintas, E.J.A. Armarego // Journal of Manufacturing Science and Engineering. - 1996. - Vol. 118(2). - P. 216-224.

68. Budak, E. Peripheral milling conditions for improved dimensional accuracy / E Budak, Y Altintas // International Journal of Machine Tools and Manufacture. -1994. - Vol. 34(7). - P.907-918.

69. Buryta, D. Stress Distributions on the Rake Face during Orthogonal Machining / D Buryta, R Sowerby, I Yellowley // Int. J. Mach. Tools Manufact. - Vol. 34 (5). - P.721-739.

70. Carlos Julio Cortes Rodiguez. Cutting Edge Preparation of Precision Cutting Tools by Applying Micro-abrasive Jet Machining and Brushing / Carlos Julio Cortes Rodiguez. Kassel. Kassel university press GmbH, 2009. - 189 pp.

71. Hassanpour, H. Effect of ball nose flank wear on surface integrity in highspeed hard milling of AISI 4340 steel using MQL / H. Hassanpour, A. Rast, J.H Khosrowshahi, S.S Farshi // Heliyon. - 2024. - Vol. 10. - P. 1-12.

72. Imad M. 3D Finite Element Simulation of Cutting Forces in Milling Hardened Steels / M Imad, A Hosseini, H.A Kishawy, N Yussefian // Proceedings of the Canadian Society for Mechanical Engineering International Congress. - 2020. -Vol. 3. -P. 1-6.

73. Ishan, S.B. Optimization of Cutting Tool Life on CNC Milling Machine through Design of Experiments - A Suitable Approach - An Overview / S.B Ishan, K. R Gawande // International Journal of Engineering and Advanced Technology. - 2012. -Vol. 1. - P. 188-194.

74. ISO 8688-2. Tool life testing in milling. Part 2: End milling. Association Francaise de Normalisation, 1989. - 12p.

75. Johnson, G.R. Fracture Characteristics of Three Metals Subjected to Various Strains, Strain rates, Temperatures and Pressures / G.R Johnson, W.H Cook // Engineering Fracture Mechanics. - 1985. - Vol. 21. - №1. - P. 31-48.

76. Kasim, M. S. Chip Morphology in Ball Nose End Milling Process of Nickel-Based Alloy Material under MQL Condition / M.S Kasim, M. S. A. Hafiz, J.A Ghani, C.H.C Haron, W. N. F Mohamad // The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. - 2019. - Vol. 103. - P. 4621-4625.

77. Kato, S. Stress Distribution at the Interface between Tool and Chip in Machining / S Kato, K Yamaguchi, M Yamada // Trans ASME J Engineering for Industry. - 1972. - Vol. 94. - P.683-689.

78. Lee, P. Prediction of Ball-End Milling Forces from Orthogonal Cutting Data / P Lee, Y Altintas // International Journal of Machine Tools and Manufacture. -1996. - Vol. 36. - P 1059-1072.

79. Liuwei, G. An oscillating milling strategy based on the uniform wear theory for improving service life of the ball-end cutter / G Liuwei, X Liao, W Yang, J Sun // Journal of Materials Processing Tech. - 2023. - Vol. 317. Article 117993.

80. López de Lacalle LN. Machining - Fundamentals and recent advances. Chapter 8: Sculptured surface machining / L.N López de Lacalle, A. Lamikiz. London: Springer, 2008. - 367 pp.

81. Luo, Ming. Improving Tool Life in Multi-axis Milling of Ni Based Superalloy with Ball-end cutter Based on the Active cutting edge Shift strategy / Ming Luo, Huan Luo, Dinghua Zhang, Kai Tang // Journal of Materials Processing Technology. -2018. - Vol. 252. - P. 105-115.

82. Machining strategies. URL: https://www.mastercam.dk/hsm-performance-pack/product/machining-strategies/ (дата обращения 6.12.2024)

83. Mitsubishi: cutting tools 2020-2021. URL: http://www.mitsubishicarbide.com/application/files/8316/2089/0936/catalog c009a full .pdf (дата обращения 12.08.2023)

84. Moxnes J. Development of Material Models for Semi-Brittle Materials Like Tungsten Carbide / J Moxnes, J.A Teland, S Skriudalen // 8th International Conference on Processing and Manufacturing of Advanced Materials. - Las Vegas. -2010. ISBN 978-82-464-1830-8.

85. NX Advanced 5-Axis Machining. URL: http://plm.sw.siemens.com (дата обращения 6.12.2024)

86. Ozel, T. Computational modelling of 3D turning: Influence of Edge Micro-Geometry on Forces, Stresses, Friction and Tool Wear in Pcbn Tooling / T. Ozel // Journal of Materials Processing Technology. - 2009. - Vol. 209(11). - P.5167-5177.

87. Ozturk E. Modeling Dynamics and Stability of 5-axis Milling Processes / E. Ozturk, E. Ozlu, E. Budak // Proceedings of the 10th CIRP International Workshop On Modeling Of Machining Operations. - Reggio Calabria, Italy, - 2007. - P. 469-476.

88. Ozturk, E. Analytical Methods for Increased Productivity in Five-Axis Ball-End Milling / E Ozturk, L.T Tunc, E Budak // Mechatronics and Manufacturing Systems. - 2011. - Vol. 4 (3/4). - P. 238-265.

89. Ozturk, E. Investigation of Lead and Tilt Angle Effects in 5-Axis Ball-End Milling Processes / E Ozturk, L.T Tunc, E Budak // International Journal of Machine Tools and Manufacture. - 2009. - Vol. 49(14). - P.1053-1062.

90. Palanisamy P. Prediction of Tool Wear Using Regression and ANN Models in End Milling Operation / P Palanisamy, I Rajendran, S Shanmugasundaram // International Journal of Advanced Science and Technology. - 2008. - Vol. 37. - P. 2941.

91. Quintana G. Surface Roughness Generation and Material Removal Rate in Ball End Milling Operations / G. Quintana, J. Ciurana, J. Ribatallada // Materials and Manufacturing Processes. - 2010. - Vol. 25(6). - P. 386- 398.

92. Sai, L. An Approach to Modeling the Chip Thickness and Cutter Workpiece Engagement Region in 3 and 5 Axis Ball End Mill / L Sai, R Belguith, M Baily, G Dessein, W Bouzid // International Journal of Machine Tools and Manufacture. - 2018. Vol. 34. - P .7-17.

93. Schrakneppera, D. Advanced Calculation of the Stress Distribution in Milling Tools during Cutting under Consideration of Residual Stresses and Tool Wear / B Penga, T Bergsa // 18th CIRP Conference on Modeling of Machining Operations. -2021. - P.19-24.

94. Schulz, H. High-Speed Milling of Dies and Moulds - Cutting Conditions and Technology / H. Schulz, St. Hock // CIRP Annals - Manufacturing Technology. -1995. - Vol 44(1). - P. 35-38.

95. Stejskal, M. Optimization of Tool Axis Orientations in Multi-Axis Toolpaths to Increase Surface Quality and Productivity / M Stejskal, P Vavruska, P Zeman, J Lomicka // Proc. CIRP 101. - 2021. - P.69-72.

96. Storchak M. Determination of the Tool-Chip Contact Length for the Cutting Processes / M Storchak, K Drewle, C Menze // Materials. - 2022. - Vol. 15. -№9. - P. 1-17.

97. Szymon Wojciechowskia. Tool Life and Process Dynamics in High Speed Ball End Milling of Hardened Steel / Pawea Twardowski, Wojciechowskia Szymon // Procedia. CIRP. - 2012. - Vol.1. - P. 289-294.

98. URL: https://www.itl.nist.gov/div898/handbook/eda/section3/eda3673.htm (дата обращения 20.10.2023)

99. Vopat Tomas. The Tool Life of Ball Nose End Mill Depending on The Different Types of Ramping / Tomas Vopat, Jozef Peterka, Martin Kovac // Researcher paper Faculty of materials science and technology in TRNAVA. - 2014. - Vol. 22. Special Number. - P.115-121.

100. Wang, Z.Y. Predicting Surface Residual Stress For Multi-Axis Milling of Ti-6Al-4V Titanium Alloy in Combined Simulation and Experiments / Z. Y Wang, J.H Zhou, J. X Ren, A Shu // Material. - 2022. - Vol. 18. - P. 1-17.

101. Yao, C.F. Influence of Cutter Orientations on Cutting Force in Ball End Milling of TC17 / C.F Yao, J.N Lin, S.H Xie, L Tan // International Conference on Mechanics Design, Manufacturing and Automation: Mechanical dynamics. - 2016. ISBN: 978-1-60595-354-0.

102. Zhang C. On-Line Tool Wear Measurement for Ball-End Milling Cutter Based on Machine Vision / C Zhang, J Zhang // Computers in Industry. - 2013. - Vol. 6. - P.708-719.

ПРИЛОЖЕНИЕ А

Руководство пользователя процесса моделирования силы резания при обработке поверхности КРФ в программе ЛБЛОи8

1.1 Система координат и единицы измерения

Расчетные модели и полученные результаты представляются в декартовой системе координат, исходные данные и результаты измерений и расчетов - в международной системе единиц СИ. Основные единицы приведены в таблице А.1.

Таблица А.1 - Система единиц измерения

длина масса время сила плотность напряжение угол

м кг с Н кг/м3 Па рад

1.2 Этапы моделирования

Процесс моделирования реализован в последовательности: подготовка исходных и условий задач, получение, обработка и анализ результатов. Реализация каждого из этих этапов производится в отдельных программных модулях, расположенных в дереве структуры. Последовательность этапов и соответствующие модули программы показаны в таблице А.2.

Таблица А.2 - Этапы моделирования и модули программы

№ Этапы моделирования Модули программы

1 Построение геометрических моделей Геометрический модуль: Part

2 Задание свойств материалов Модуль материала: Property

3 Сборка Модуль сборки: .4ssemftiy

4 Процедуры анализа Модуль процедуры: Step

5 Создание контактного Модуль контактного

взаимодействия взаимодействия: Interaction

6 Задание нагрузки и исходные условия Модуль нагрузки и граничных условий: Load

7 Создание сетки конечных элементов Модуль сетки: Mesh

8 Запуск на расчет Модуль запуска на расчет: /оЬ

9 Анализ результатов Модуль анализа результатов: Visualization

1.3 Построение геометрических моделей заготовки и инструмента Построение геометрических моделей заготовки и инструмента выполняется в модуле Part двумя способами в зависимости от сложности формы модели. Для деталей сложной формы геометрическая модель может быть импортирована из другой системы трехмерного проектирования. Для деталей простой формы геометрическая модель деталей строится в самой этой модуле.

В связи с сложной формой КРФ геометрическая модель инструмента импортируется из файла, полученного в программе INVENTOR. Способ импорта показан на рисунке А.1, а. Геометрическая модель КРФ учитывает радиус округление р = 7 мкм, на импортированной модели построится ось вращения и управляющая точка RP, связанная с центром сферической части инструмента (рисунок А.1, б). Эти геометрические объекты инструмента используются при выполнении следующих этапов.

а

б

Рисунок А.1 - Импорт геометрической модели инструмента: а - операция импорта; б - геометрическая модель инструмента

Геометрическая модель заготовки с габаритными размерами (0,0032 X 0,0016 X 0,0004 м), имеющей несложную форму, могут быть построена в модуле Part с помощью операции Create Part. Построение выполняется в два этапа: 1-построение геометрической модели заготовки; 2- выделение из построенной модели части, соответствующей срезаемому слою в реальном процессе резания.

* Построение геометрической модели заготовки

В окне Create Part задаются параметры модели заготовки: Name: wp; Type: Deformable; Base Feature: Extrusion (рисунок А.2, а). В следующем появившемся окне построится двухмерный эскиз прямоугольника (0,0032 x 0,0016 м) и задается высота «выдавливания» этого эскиза (0,0004 м) (рисунок А.2, б). В результате получена предварительная модель заготовки, являющаяся плитой (рисунок А.2, в).

Modeling Space

® 3D О 2D Planar О Axisymmetric

Туре |® Del

О Discrete rigid О Analytical rigid О Euleriian

Base Feature

Options

None available

Shape ® Solid Туре

1 Extrusion

О Shell Revolution

О Wire Sweep

О Point

Approximate size:

0.1

Continue,,,

Cancel

Edit Base Extrusion End Condition Type: Blind

Depth:

0.0004

Options

Note: Twist and draft cannot be specified together.

(Dist/Rev)

Qilnclu de twist, pitch: I I Include draft, angle:

0

(Degrees)

Cancel

а б в

Рисунок А.2 - Построение геометрической модели заготовки: а- геометрическая

модель заготовки; б- двухмерный эскиз и высота «выдавливания»; в -

предварительная модель заготовки

При обработке КРФ геометрическая модель заготовки имеет сегментную форму как показано на рисунке А.3, в. Получение этой формы выполнено путем вычитания из предварительной модели в виде плиты (рисунок А.2, в) сферической части объема материала, удаленной предыдущим зубом фрезы, с помощью операции Revolve Cut (рисунок А.3, а). Двухмерный эскиз вычитания показан на рисунке А.3, б.

а б в

Рисунок А.3 - Вычитание объема материала, совершенного предыдущим зубом

фрезы: а- операция вычитания; б - двухмерный эскиз; в- готовая модель

заготовки

❖

Выделение из модели заготовки части, соответствующей срезаемому слою в реальном резании Выделение из модели заготовки части, соответствующей срезаемому слою в реальном резании, выполняется с помощью операции Create Partition (рисунок А.4, а).

а б

Рисунок А.4 - Построение базовых линией для разбивки модели заготовки: а-операция создания эскиза; б - базовые линии

Для этого в начале строятся базовые линии, представляющие границы срезаемого слоя как показано на рисунке А.4, б, затем на основе этих базовых линий выполняется операция разбивки cell (рисунок А.5, а). Готовая модель заготовки с разбитой части срезаемого слоя показана на рисунке А.5, б.

а б

Рисунок А.5 - Выделение из модели заготовки на части, соответствующей срезаемому слою в реальном резании: а - операция разбивки; б- готовая модель заготовки с разбитой частью срезаемого слоя

1.4 Моделирование материала

Свойства материалов, изотропных сечений и присвоение их построенным моделям заготовки и инструмента реализуются в модуле Property путем выполнения операций: Create Material, Create section, Create Section Assignment. ❖ Моделирование материалов заготовки и инструмента При резании металлов материал заготовки подвергается многосложным физико-механическим воздействиям, представляющим упругую и пластическую деформации, разрушение срезаемого слоя и преобразование этого слоя в стружку. Материал инструмента подвергается только упругой деформации. Согласно этому для создания модели материала заготовки выбрана специальная модель JohnsonCook, а для материала инструмента выбрана общая модель с заданием только параметров, описывающих упругую деформацию.

- Создание материала заготовки: Сталь 45 В окне Material Manager выбрана операция Create Material для создания модели материала стали 45. В появившемся окне Edit Material заданы все её параметры, соответствующие ГОСТ 1050-2013 (рисунки А.6, А.7, А.8).

• Плотность: General ^ Density: 7800 кг/м3

Упругость: Mechanical ^ Elasticity ^ Elastic: Модуль 2 X 1011 Па; Коэффициент Пуансона ^ = 0.3.

Юнга Е =

чг Edit Material Name: Steel 45

Description:

Material Behaviors

I I Use temperature-dependent data Number of field variables:

о :

Moduli time scale (for viscoelasticity): | Long-term I I No compression I I No tension Data

Young's Pokson's

Modulus Ratio

200000000000 0.3

Johnson-Cook Damage Л

Damage Evolution

Density

Elastic

Plastic V

General Mechanical Thermal Electrical/Magnetic Other _J "]

Elastic

Type: Isotropic - ▼ Suboptions

а б

Рисунок А.6 - Задание плотности и упругости стали 45: а - плотность; б-

упругость

• Пластичность: Mechanical ^ plasticity ^ Plastic ^ Hardening ^ Jonshon - Cook: А = 553 X 10е Па; В = 600,8 X 10е Па; С = 0.0134;п = 0,234;т = 1

Рисунок А.7 - Задание пластичности стали 45

Критерий разрушения Mechanical ^ Damage /or Dnctüe Metáis ^ /ohnson — Coofc Damage: = 0,06; D2 = 3, 31; D3 = —1,96; D4 = 0,0018; D 5 = 0,58; Dispiacement at /aünre = 0,001.

Рисунок А.8 - Задание критерия разрушения материала для стали 45

- Материал инструмента: Твердосплавный Tungsten Carbide

• Плотность: Générai ^ Density: 15000 кг/м3

• Упругость: Mechanicai ^ £iasticity ^ £7astic: Модуль Юнга Е = 4, 55 X 1011 Па; Коэффициент Пуассона д = 0. 2

❖ Описание изотропных сечений моделей заготовки и инструмента Описание изотропных сечений материалов заготовки и инструмента выполнено в окне Section Manager с помощью операции Create Section как показано на рисунках А.9, А.10.

i w Edit Section Name: Steel 45 Type: Solid, Homogeneous X

Material: |Steel 45

1 1 Plane stress/strain thickness: 1

OK Cancel

а б в

Рисунок А.9 - Описание сечения материала заготовки: а, б - задание параметров

сечений; в - выбор материала (сталь 45)

: Create Section

Name: [Tungsten Carbide

Category Type

(S) Solid Homogeneous

О Shell Generalized plane strain

О Beam Eulerian

О Other Composite

а б в

Рисунок А.10 - Описание сечения материала инструмента: а, б - задание

параметров сечений; в - выбор материала (твердосплавный Tungsten Carbide)

❖

Присвоение сечений моделям заготовки и инструмента Присвоение описанных сечений материалов моделям заготовки и инструмента реализовано в окне Section Assignment Manager с помощью операции Create Section Assignment (рисунок А.11).

Рисунок А.11 - Описание сечения материала инструмента

В окне Region Selection выбраны модели заготовки wp или инструмента tool и в следующем окне Edit Selection Assignment их соответственные сечения (рисунки А.12, А.13).

v Edit Section Assignment

Region Region: wp

Section Section:

Steel 45

Note: List contains only sections

applicable to the selected regions.

Type: Solid. Homogeneous

Material: Steel 45

а б

Рисунок А.12 - Присвоение сечения материала заготовки: а - выбор модели

заготовки; б - выбор сечения стали 45

1Г Edit Section Assignment Region Region: tool

Section!

Section:

Tungsten Carbide

з

Note: List contains only sections

applicable to the selected regions.

Type: Solid, Homogeneous

Material: Tungsten Carbide

OK

Cancel

а б

Рисунок А.13 - Присвоение сечения материала инструмента: а- выбор модели

инструмента; б - выбор сечения твердосплавного Tungsten Carbide

1.5 Сборка

Модуль Part позволяет построить только отдельную модель заготовки или инструмента. Для сборки этих моделей необходимо использовать модуль Assembly. Вначале с помощью операции Create Instance импортируется каждая из моделей (рисунок А.14). Глобальная система координат, оснащенная в пространстве программы Global CSYS, используется как базовая для создания дополнительных систем координат. В данном случае она выступает в качестве системы координат заготовки СКЗ (рисунок А.15, а).

Рисунок А.14 - Импорт моделей заготовки и инструмента

Для моделирования положения и ориентации инструмента, определенных заданными условиями обработки, необходимо создание инструментальной системы координат СКИ, связанной с центром сферической части инструмента (рисунок А.15, б). Создание системы координат выполнено с помощью операции Create Datum CSYS.

а б в

Рисунок А.15 - Сборка моделей заготовки и инструмента: а - импорт моделей; б

- создание СКИ; в - установление положения инструмента

Системы координат СКЗ и СКИ определяют положение инструмента и его точек с учетом заданных режимов резания: глубина резания t = 0,2 мм; частота вращения шпинделя п = 6000 мин-1; подача на зуб = 0,02 мм/зуб, угол поперечного наклонения КРФ диаметром Б = 8 мм принят равным вп = 30°. При этом модель заготовки фиксирована, а модель инструмента перемещается на расстояние 0,00038 м по оси OZ, затем поворот по оси OY на угол 30° как показано на рисунке А.15, в.

enter X,Y,Z:

CSYS: Global

а б в

Рисунок А.16 - Операции перемещения и поворота моделей: а - перемещение; б

- поворот; в - задание величины операции

Перемещения моделей заготовки и инструмента осуществляется путем использования операции Translate Instance (рисунок А.16, а, в), а поворот путем операции Rotate Instance (рисунок А.16, б, в).

1.6 Процедура анализа В соответствии с руководством по применению программы ABAQUS моделирование процесса резания металлов рассматривается как динамическая задача с разрушением материала. Решение такой задачи в ABAQUS обеспечивает процедура Dynamic Explicit, имеющая в своем составе модуль Step (рисунок А.17).

Рисунок А.17 - Процедура Dynamic, Explicit

Эта процедура требует задания совокупности параметров, описывающих временное состояние процесса. На основе промежуточных решений по полученным данным рассчитываются силы резания.

а б

Рисунок А.18 - Задание продолжительности анализа: а - время одного периода

резания; б - функция ускорения анализа

Для решения устанавливается периодичность анализа Time period=0,002 с (рисунок А.18, а). Этот интервал времени определен от момента входа до выхода из процесса резания одного зуба КРФ. Для ускорения процесса анализа применена функция Mass scaling и Factor = 100 (рисунок А.18, б). Следующее задание параметра STATUS для анализа разрушения элементов при контакте модели инструмента с заготовкой выполнено в окне Edit Field Output Request (рисунки А.19, а, б). Расчет силы резания, представленных в трех проекциях Т^, Ту, , выполнено в окне Edit History Output Request (рисунки А.19, в, г).

Field Output Requests Мanagi sr X

Name Step-1 | Edit... |

F-Output-1 |

Activate

Step procedure: Dynamic, Explicit Variables: ACSIRESS,EVF,LEvPE,PEEaPEEQVAVG,PEVAVG,RF,S,ST.., Status: Created in this step

Create,.,, Copy... Rename... Delete... Dismiss

Edit Field Output Request

Name: F-Output-1 Step: Step-1 Procedure: Dynamic, Explicit

Domain: Whole model

Q Exterior only

Frequency: Evenly spaced time intervals R Interval: 400

Timing: | Output at approximate times Output Variables

® Select from list below O Preselected defaults O All O Edit variables A, CSTRESS, EVF, LE, P E, P EEQ, P EEQVAVG, PEVAVG, RF, S, STATU S, SVAVG, U, V,

□ DENSITYVAVG, Volume-averaged material d ensity (Eulerian only | B STATUS, Status (somefailure and plasticity models; VUMAT) |

□ EACTIVE, Status of the element

а

б

q? Edit History Output Request

Name: H-Outpui-2 Step: Step-1 Procedure: Dynamic, Explicit

Domain:

Set

Frequency | Evenly spaced time intervals Interval:

Output Variables

® Selectfrom list below О Preselected defaults О All О Editvariables RFI.RFJ.RF.i,

► О Stresses

► □ Strains

► П Displacement/Velocrty/Acceleration ▼ [■] hcrces/Keacticns

▼ [Й1 RF. Reaction forces and moments 0 RF1 0 RF2

_И RF3_

в г

Рисунок А.19 - Задание условий разрушения элементов и выполнение расчета

силы резания: а, б - условие разрушения элементов; в, г - расчет проекций силы

резания

1.7 Контактные взаимодействия

Описание контакта модели инструмента с заготовкой выполнено в модуле Interaction операциями Create Interaction и Create Property Interaction (рисунок А.20, а, в), включающее выбор участвующих контактных поверхностей и задание коэффициента трения между ними.

а

тг Interaction Property Manager X

Name Type

lntProp-1 Contact

| Create... | Edit... Copy... Rename... Delete... Dismiss

б

в г

Рисунок А.20 - Описание контакта модели инструмента с заготовки: а -

создание контакта; б - выбор контактных поверхностей; в - создания свойства

контакта; г - задание коэффициента трения

Выбор контактных поверхностей реализован в окне Edit Interaction выполнением операций First Surface и Second Surface. При этом First Surface: tool для инструмента и Second Surface: wp для заготовки (рисунок А.20, б). Задание коэффициента трения Friction Coeff = 0,2 произведено в окне Edit Contact Property функцией Penalty (рисунок А.20, г). По правилам решения динамической задачи вращающееся тело должно быть представлено в процессе резания абсолютно жестким, недеформируемым. Согласно этому правилу модель инструмента задана типом Rigid Body. Для задания абсолютно жесткого тела необходимо указать базовую точку Reference Point (рисунок А.21), с которой геометрические связи всех точек модели инструмента постоянны в процессе моделирования.

^ Constraint Manager X

Name Type

Щ Constraint-1 Rigid body

| Create..., | Edit... Copy... Rename... Delete... Dismiss

Рисунок А.21 - Задание модели инструмента абсолютно жестким телом

1.8 Нагрузки и граничные условия Известно, что при фрезеровании заготовка закрепляется на столе станка и может считаться неподвижной, а инструмент выполняет одновременно вращение и перемещение по траектории (подача). В связи с этим при моделировании процесса фрезерования и задании граничных условий для моделей заготовки и инструмента, выполняемых в модуле Load операцией Create, должны отвечать этим условиям. Для граничного условия закрепления заготовки необходимо

выбрать тип Symmetry/Antisymmetry/Encastre (рисунок А.22, а), а в окне Boundary Condition Manage функцию ENCASTRE по нижней плоскости (рисунок А.22, б), соответствующей ограничению движения. Для граничного условия вращения и подачи инструмента выбирается тип условия Velocity/Angular velocity, обеспечивающий линейную и угловую скорости (рисунок А.22, в).

а

Edit Boundary Condition Name: Fix

Type: Symmetry/Antisymmetiy/Encastie Step: Step-1 (Dynamic, Explicit} Region: fix

CSYS: (Global) tf Л О XSYMM (U1 = UR2 = UR3 = 0) О YSYMM (U2 = UR1 = UR3 = 0} О ZSYMM (U3 = UR1 = UR2 = 0) О XASYMM [U2 = U3 = UR1 = 0; Aba q us/Stan dard only} О YASYMM (U1 = U3 = UR2 = 0; Aba q us/Stan dard only} О ZASYMM [U1 = U2 = UR3 = 0; Abaqus/Standard only} О PINNED [U1 = U2 = U3 = 0}

® ENCASTRE [U1 = U2 = U3 = UR1 = UR2 = UR3 = 0}

б

1r Edit Boundary Condition

Name: Angular vel ocity

Type: Velocity/Angular velocity

Step: Step-1 (Dynamic, Explicit)

Region: rp

CSYS: ( Global Л

Distribution: Uniform

m

|0 VI: 0,00002 I

0V2: 0

0V3: 0

|0 VR1: 623

0 VR2: 0

0 VR3: 0

Amplitude: Amp-1

OK

radians/time radians/time radians/time

FV

ncel

в г

Рисунок А.22 - Задание граничных условий: а, б - для заготовки; в, г - для

инструмента

В окне Boundary Condition Manage заданы угловая скорость VR1 = 628 рад/с (п = 6000 мин-1) и линейная скорость подачи V1 = 0,004 м/с (fz =

0,02 мм/зуб) через управляющей точки RP в системе координат инструмента СКИ (рисунок А.22, г).

1.9 Конечно-элементные модели Представление моделей заготовки и инструмента в виде сетки конечных элементов реализуется в модуле Mesh с помощью операций Mesh Control, Global Seeds, Seed Edges, Mesh Part. Операция Mesh Control предназначена для задания типа элементов, Global Part для задания размеров элементов по всей модели, Seed Edges для задания количества точек по ребрам в локальных частях моделей, имеющих сложную геометрическую форму, Mesh Part для генерации сетки элементов.

•чг Mesh Controls Element Shape OiHexi О Hex-dominated

®Tet

О Wedge

Technique

Q As is

® Free Q

О Structured | О Sweep '._) Bottom-up Q О Multiple

Algorithm

1^1 Use default algorithm

I I IMon-standard interior element growth

Slow Fast

1.050 1'°5

Growth rate

0 Use mapped tri meshing on bounding faces where appropriate

1 I Insert boundary layer

а

б

в г

Рисунок А.23 - Представление модели заготовки в виде сетки элементов: а- выбор

типа элементов; б - задание размера элементов по всей модели; в - задание

количества точек по границам срезаемого слоя; г - сетка элементов

* Представление модели заготовки в виде сетки элементов

В окне Mesh Control выбран тип элементов: 10-узловой тетраэдр Tet (рисунок А.23, а), в окне Global Seeds заданы размеры элементов для всей модели - 0,0004 м (рисунок А.23, б). Для зоны срезаемого слоя, имеющего сложную геометрическую форму, линии границы разделены на 200 точек в операции Seed Edges (рисунок А.23, в). В результате получена сетка элементов заготовки (рисунок А.23, г).

* Представление модели инструмента в виде сетки элементов Представление модели инструмента выполнено по аналогии с заготовкой с

типом элементов Tet (рисунок А.24, а), размерами однотипных элементов по всей модели 0,0004 м (рисунок А.24, а) и количеством точек на линиях режущей кромки 100 (рисунок А.24, б, в). Сетка элементов инструмента показана на рисунке А.24, г.