Повышение эффективности проектирования сборных фрез для обработки поверхностей сложного профиля на основе математического моделирования тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Веселов, Александр Иванович

• Веселов, Александр Иванович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Веселов, Александр Иванович

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. АНАЛИЗ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ОЦЕНКИ ЭКСПЛУАТАЦИОННЫХ ХАРАКТЕРИСТИК

СБОРНЫХ ФАСОННЫХ ФРЕЗ

Глава 2. ФОРМИРОВАНИЕ МОДЕЛЕЙ СБОРНЫХ ФАСОННЫХ ФРЕЗ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ГРАФОВЫХ СТРУКТУР.

2.1 Моделирование конструкции сборных фасонных фрез.

2.2 Геометрическая модель сборных конструкций фасонных фрез.

2.3 Моделирование погрешностей обработки при фрезеровании сборными фасонными фрезами.

2.4 Выводы по главе.

Глава 3. РАСЧЕТ И ПРОЕКТИРОВАНИЕ СБОРНЫХ ФАСОННЫХ ФРЕЗ, ОСНАЩЕННЫХ СМЕННЫМИ МНОГОГРАННЫМИ ПЛАСТИНАМИ.

3.1. Анализ форм и размеров сложных поверхностей с учетом возможности их обработки сборными фасонными фрезами

3.1.1 Обоснование выбора схем резания используемых, при обработке сложных поверхностей сборными 59 фрезами.

3.1.2 Ограничения на параметры обрабатываемой поверхности, накладываемые формой и размерами твердосплавных пластин.

3.2 Расчет параметров расположения режущих пластин относительно обрабатываемой поверхности, с криволинейными образующими.

3.3 Расчет параметров расположения режущих пластин относительно обрабатываемой поверхности е прямолинейными образующими.

3.4 Расчет диаметров сборной фасонной фрезы.

3.5. Определение положения режущих пластин в корпусе инструмента.

3.6. Соотношения между углами ориентации пластины и геометрическими параметрами режущей части инструмента.

3.7 Определение параметров установки заготовки корпуса фрезы для обработки пазов под пластины.

3.8 Выводы по главе.

Глава 4. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ТОЧНОСТИ СБОРНЫХ ФАСОННЫХ ФРЕЗ НА ЭТАПАХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ИЗГОТОВЛЕНИЯ. . ИЗ

4.1 Погрешности, возникающие при обработке фрезерованием поверхности с использованием генераторной схемы резания.

4.2 Погрешности, связанные с выходом режущей кромки режущей пластины за пределы исходной инструментальной поверхности.

4.3 Соотношения между допусками изготовления конструктивных элементов фрезы и допусками на положение режущей кромки пластины в инструменте в сборе.

4.4 Выводы по главе.—

Глава 5. МОДЕЛИРОВАНИЕ И ИССЛЕДОВАНИЕ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ СБОРНЫХ ФАСОННЫХ ФРЕЗ.

5.1 Формирование модели напряженно-деформированного состояния сборного инструмента.

5.2 Моделирование силовых воздействий на режущий элемент

5.3 Аналитические исследования напряженно-деформированного состояния сборных фасонных фрез.

5.3.1 Исследование влияния геометрических параметров режущей части на жесткость инструмента.

5.3.2 Исследование напряженного состояния режущей части сборных фасонных фрез.

5.4 Выводы по главе.—.

Глава 6. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ОПТИМИЗАЦИОННАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ФРЕЗЕРОВАНИЯ СБОРНЫМИ ФАСОННЫМИ ФРЕЗАМИ.

6.1 Выбор критериев оптимизации.

6.2 Ограничения на конструктивные параметры фрез и основные рабочие режимы операции фрезерования.

6.3 Реализация оптимизационной модели сборных конструкций фасонных фрез методом динамического программирования.

6.3.1 Постановка задачи динамического программирования.

6.3.2 Решение оптимизационной модели численным методом динамического программирования.

6.4 Выводы по главе.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение эффективности проектирования сборных фрез для обработки поверхностей сложного профиля на основе математического моделирования»

В нынешней экономической ситуации сложившейся в России, наметился подъем некоторых отраслей производства. Однако функционирование предприятий в условиях рыночной экономики требует их быстрой реакции на изменение спроса и возможности производить широкую номенклатуру изделий. Кроме того, предприятия должны использовать современные способы организации производства, что обусловлено требованиями международных стандартов качества, экологических стандартов, законов об охране труда. Поэтому одной из актуальных задач, стоящих перед производством, является снижение себестоимости и повышение производительности металлообработки путем внедрения прогрессивных методов обработки, более производительных конструкций режущего инструмента и компьютерных технологий.

Современное состояние и перспективы развития металлообработки характеризуются широким использованием сборного режущего инструмента, оснащенного сменными механически закрепляемыми пластинами (СМП) выполненными из твердых сплавов, керамики и сверхтвердых материалов. Особенно широко инструмент с СМП применяется в автоматизированном производстве, чему способствует его высокая стойкость, надежность и легкость восстановления режущих свойств.

В реальных производственных условиях часто возникает необходимость обработки деталей с большой длинной сложного профиля (матрицы пресс-форм, штампов, корпусные детали, колесные пары тепловозов и электровозов и т.п.). В ряде случаев наиболее эффективными режущими инструментами для обработки таких деталей являются фасонные фрезы, в которых в качестве материала режущей части используется твердый сплав.

Одним из направлений, в значительной степени повышающим равномерность процесса обработки фрезерованием деталей со сложным профилем, является применение прогрессивных схем резания. К числу фрез, в конструкции которых заложены более эффективные принципы срезания слоев металла и формирования обработанной поверхности, относятся фрезы, оснащенные СМП. Суммарная режущая кромка таких фрез состоит из множества перекрывающих друг друга режущих кромок скомбинированных определенным образом твердосплавных пластин. Механическое крепление режущих элементов устраняет трудоемкую операцию напаивания твердосплавных пластин по фасонному профилю фрезы, и наряду с этим значительно сокращается номенклатура твердосплавных пластин, необходимых для оснащения инструмента. Вследствие простоты восстановления режущих свойств фасонных фрез с СМП допускается существенное повышение режимов резания. Таким образом сборные фасонные фрезы оснащенные СМП обладают высокой стойкостью, повышенной производительностью, связанной с тем, что сложная поверхность формируется за один проход, и возможностью обработки деталей с большой длинной фасонного профиля за счет использования прогрессивных схем резания.

Сборные фасонные фрезы широко используются в промышленности развитых стран. В нашей стране для обработки деталей с фасонным профилем фрезы, оснащенные СМП, находят ограниченное применение (в основном используются для обработки шеек коленчатых валов и колесных пар) в связи с рядом трудностей, возникающих при их проектировании, изготовлении и эксплуатации.

Сложность проектирования и изготовления заключается в том, что сборная фасонная фреза включает в себя множество пластин имеющих различные форму, размеры и ориентацию. При этом необходимо обеспечить точное совпадение режущей кромки с образующей обрабатываемой поверхности, а так же заданные геометрические параметры режущей части. Суммарная режущая кромка формируется в результате определенного расположения пластин, имеющих заранее заданные геометрическую форму и размеры, относительно друг друга, а углы резания реализуются путем ориентации пластин в пространстве, причем на положение и ориентацию пластин накладывает ограничения форма обрабатываемой поверхности.

Как правило, фрезы, оснащенные СМП должны иметь увеличенный наружный диаметр, что создает ряд дополнительных трудностей при их проектировании и изготовлении.

Существующие на сегодняшний день методики расчета и проектирования предназначены для некоторых конкретных конструкций сборных фасонных фрез с СМП, не решают многих вопросов, связанных с проектированием и эксплуатацией инструмента, обеспечением точности изготовления и обработки и не рассматривают проблему в комплексе.

Таким образом актуальной является задача разработки методов проектирования и оценки эксплуатационных характеристик конструкций фрез, оснащенных СМП, для обработки поверхностей сложного профиля, в основе которых заложен единый методологический подход.

Диссертация состоит из введения, шести глав, общих выводов, списка литературы из 81 наименования и 5 приложений.

Заключение диссертации по теме «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки», Веселов, Александр Иванович

8. Результаты работы, представленные в виде методологического, программного обеспечения и практических рекомендаций по проектированию сборных фасонных фрез, используются на ОАО ПТД «СТАНКОИНСТРУМЕНТ» (г. Москва), Новосибирском инструментальном заводе, ЗАО ЛЙГНУМ (Нижегородская область), ЗАО «ПРОМОСНАЩЕНЕ» (г. Москва), а так же в учебном процессе кафедры «Инструментальная техника и технология формообразования» МГТУ «Станкин».

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Веселов, Александр Иванович, 2000 год

1. Автоматизированное проектирование и производство в машиностроении. / Под общ. ред. Ю.М. Соломецева и В.Г. Митрофанова. - М.: Машиностроение, 1986. - 256 с.

2. Автоматизированное проектирование металлорежущего инструмента. / Гречишников В.А., Кирсанов Г.Н., Катаев A.B. и др. М.: Мосстанкин, 1994.-256 с.

3. Андреев В.Н. Совершенствование режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1993. - 240 с.

4. Антипенко B.C. Модели и методы оптимизации параметрических рядов машин. М.: Машиностроение, 1990. - 175 с.

5. Базаров Б.Н. Расчет точности машин на ЭВМ. М.: Машиностроение, 1984.-256 с.

6. Беллман Р. Динамическое программирование. Пер. с англ. -М.: Иностранная литература, 1960.-152 с.

7. Бетанели А.И. Прочность и надежность режущего инструмента. -Тбилиси: Сабчота Сок£рвело, 1973. 304 с.

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

9. Веселов А.И. Методика определения геометрических параметровtрежущей части и положения пластины в корпусе для сборных конструкций фрез. / Труды Рубцовского индустриального института: Выпуск 6: Технические науки. Рубцовск. РИИ. 2000. С. 199-203.

10. Высокопроизводительные конструкции фасонных фрез и их рациональная эксплуатация, под ред. М.Н. Ларина, М.: Машгиз, 1961.- 198 с.

11. Горелик В. А., Ушаков И.А. Исследование операций. М.: Машиностроение, Г986. - 288 с.

12. Грановский Г.И., Грановский В.Г. Резание металлов. М.: Высшая школа, 1985.-304 с. t

13. Гречишников В.А. Системы проектирования режущих инструментов. -М.: ВНИИТЭМР, 1987.-52С.

14. Гречишников В.А., Веселое А.И., Лукина С.В. Исследование деформированного состояния сборного режущего элемента методом конечных элементов / КТИ-2000 Москва, МГТУ «СТАНКИН» с. 158160

15. Гречишников В.А., Колесов Н.В., Козлов Е.В. Основы научных исследований в области проектирования и эксплуатации режущего инструмента. М.: Мосстанкин, 1990. - 56 с.

16. Демидович А.К. Марон Ю.Г. Вычислительные методы. М.: Наука, 1976,-456с.

17. Емелин М.И. Кинематика охватывающего фрезерования. «Вестник машиностроения», 1958 №8, С 18-22.

18. Зыков A.A. Основы теории графов. -М.: Наука, 1987. 348с.

19. Ивченко Т.Г. Исследование надежности и оценка качества сборных резцов и фрез. Автореф. дисс. . канд. техн. наук. Горький: ГПИ,1982.-22 с. •

20. Иноземцев Г.Г. Прочность резцов. -М.:Машгиз, 1958 163 с.31 .Ицкович Г.М. Сопротивление материалов -М.: Высшая школа, 1960-529 с.

21. Каталог фирмы HERTEL 1996 г.

22. Каталог фирмы SANDVlK COROMANT 1999 г.

23. Каталог фирмы VALTER 1996 г.

24. Кисел ев A.C. Исследование твердосплавных фрез для обработки деталей со сложным профилем, дисс. . канд. техн. наук. -М.:СТАНКИН 1970, 184 с.

25. Клушин М.И. Расчет режущей части инструмента на прочность // Станки и инструменты. 1958. - №2. - С. 5-8.

26. Колесов Н.В. Расчет • и конструирование режущего инструмента с использованием ЭВМ: Учебное пособие. М.: Мосстанкин, 1982. - 106 с.

27. Колядин A.B., Ординарцев И.А., Сенькин E.H. Оптимизация конструкций ступенчатых торцевых фрез.// Станки и инструменты.1983.-№8.-С. 27-29/

28. Косов М.Г., Лукина C.B., Толкачева И.М. Моделирование точности сборных режущих инструментов.// В сб. трудов 3-ей международной НТК «Точность технологических и транспортных систем». — Пенза: ПГТУ, 1998.-С.83-85,

29. Косов М.Г., Феофанов А.Н. Расчет точности технологического оборудования на ЭВМ: Учебное пособие. -М.: Мосстанкин, 1989. -65 с.

30. Ларин М.Н. Основы фрезерования. М.:Машгиз, 1947. -120 с.

31. Лашнев С.И., Борисов А.Н. Расчет геометрических параметровгрежущего клина инструмента // Резание и инструмент. Харьков, 1987. - №37. С. 27-32.

32. Лашнев С.И., Юликов М.И Проектирование режущей части инструмента с применением ЭВМ. М.: Машиностроение, 1980. - 208 с.

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

34. Лукина C.B. Моделирование погрешности обработки с использованием графовых структур. // В сб. трудов Всероссийской научно-технической конференции, посвященной 40-летию ЛГТУ.- Липецк: ЛГТУ, 1996 с. 210-212.

35. Максимей И.В. Имитационное моделирование на ЭВМ.- М.: Радио и связь, 1988-230 с. .

36. Малыгин В .И. Повышение эффективности сборных режущих инструментов методами сложного неоднородного моделирования и неразрушающей активной экспресс-диагностики. Дисс. докт.техн.наук., М.: Мосстанкин, 1995.-315 с.

37. Малыгин В.И., Лобанов Н.В. Метод конечных элементов в расчетахнапряженно-деформированного состояния напайного инструмента. // Известия вузов-1990. -№6- С. 66-69.

38. Металлообрабатывающий твердосплавный инструмент: Справочник / B.C. Самойлов, Э.Ф. Эйхманс, В.А. Фальковский и др. М.: Машиностроение, 1988. - 368 с.

39. Михайлов М.И. Повышение прочности режущих пластин сборного инструмента путем совершенствования системы их крепления. Автореф. дисс. канд. техн. наук. Минск : БПИ, 1987 - 18 с.

40. Полетика М.Ф. Контактные нагрузки на режущих поверхностях инструментов. М.: Машгиз, 1962 — 150 с.5 5. Расчет машиностроительных конструкций методом конечных элементов: Справочник под общ. ред. В.И. Мяченкова. М.: Машиностроение, 1989. - 563 с.

41. Расчеты экономической эффективности новой техники: Справочник / Под общ. ред. K.M. Великанова. Л.: Машиностроение. Ленинградское отделение, 1990.-450 с.

42. Режущий инструмент. Лабораторный практикум. Учеб. пособие для вузов / Под общ. ред. H.H. Щеголькова. М.: Машиностроение, 1985.-168 с.

43. Розенберг С.А. Охватывающее фрезерование новый метод обработки тел вращения. Станки и инструменты - 1950 №1, С 12-15.

44. Руководство по курсовому проектированию металлорежущих инструментов: Учеб. пособие для вузов / Под общ. ред. Г.Н. Кирсанова.М.: Машиностроение, 1986.-288 с.

45. Сборный твердосплавный инструмент. / Г.Л. Хает, В.М. Гах, К.Г. Громаков и др. М.: Машиностроение, 1989. - 256 с.

46. Сегерлинд Л. Применение метода конечных элементов. / Пер. с англ. -М.: Мир, 1979.-392 с.

47. Семенченко И.И., Матюшин В.М., Сахаров Г.Н. Проектирование металлорежущего инструмента. М.: Машгиз, 1963. - 952 с.

48. Силин Н.С. Прогрессивные формы твердосплавных пластин, механически закрепляемых в режущих инструментах. // Машиностроитель. 1985. -№2.- с. 9-11

49. Смолин Н.И. Исследование напряженно-деформированного состояния многогранных пластин применительно к вопросам прочности сборного режущего инструмента: Афтореф. дисс. . канд. техн. наук. Омск,1987.- 17с.

50. Соломенцев Ю.М., Прохоров А.Ф. Перспективы и проблемы развития САПР технологических систем. // Вестник машиностроения. 1984.-№10.-С. 44-46.

51. Справочник инструментальщика / Ординарцев И. А., Филиппов Г.В., Шевченко А.Н. и др.; Под общей ред. Ординарцев И.А. Л.: Машиностроение. Ленингр. отд-ние, 1987. - 846 с.

52. Справочник конструктора инструментальщика: Под общ. ред. В.И. Баранчикова.-М.: Машиностроение, 1994. -560 с.

53. Справочник по математике / И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев 7-е изд., стереотипное. - Москва, 1957. - 588 с

54. Справочник по сопротивлению материалов / Писаренко Г.С., Яковлев А.П., Матвеев В. В. 2-е изд., перераб. и доп. - Киев: Наукова думка,1988.-736 с.

55. Справочник технолога-машиностроителя. В 2-х т. / Под ред. А.Г. Косиловой и Р.К. Мещерякова. -М.: Машиностроение, 1985. 656 с.

56. Фасонная твердосплавная фреза для обработки шатунных шеек коленчатого вала. Австралийский патент кл. 49а № 237409 (1964 г.)

57. Федосьев В.И. Сопротивление материалов: Учебник для втузов 9-е изд., перераб- М.: Наука. Гл. ред. Физ.-мат. Лит. 1986. -512 с.

58. Фролов М.В. Расчет геометрических параметров резца с механическим креплением.СМИ // Известия ВУЗов, -1989. -№1 -С. 122-125.

59. Хает Г.Л. Прочность режущего инструмента. М.: Машиностроение, 1975.- 166 с.

60. Хает Г.Л., Ординарцев И.А., Ивченко Т.Г. Повышение качества торцевых фрез с механическим креплением твердосплавных пластин // Станки и инструменты. 1982. - №2 - С. 20-22.

61. Шевелева Г.И. Численный метод решения контактной задачи при сжатии упругих тел. // Машиноведение. 1981.-№5. - С. 90-95.

62. Ящерицин П.И., Новоселов Ю.А., Михайлов М.И. Напряженное состояние режущей пластины сборного инструмента. // Машиностроение, Минск: БПИ, 1986,11, С. 37-41.

63. Ahmand М.М., Derrikot R.T., Draper W.A. A photoclastic analysis of the stresses in double rake cutting tools // Int. J. Mach. Tool Manufact. -1989. -v.29/№2.-p. 185-195.

64. Ahmand M.M., Draper W.A., Derrikot R.T. An application of finit method to prediction of cutting tool perfomans //Int. J. Mach. Tool Manufact. -1989. -v.29/№3.-p. 197-206.

65. Lange K., Nietzerd Th. Einsatzbereiche und Leistungfaechigkeit der Finite-Elemente Method bei' der Konstruktion von Werkzeugmachinen und Werkzeugen.// «Zeitschrift fuer industriell Fertigung», 1980, №70. C. 188205.

66. Larry J. Segerlind. // Applied Finite Element Analysis. -John Wiley and Sons, Inc., 1976 p. 211-241.219