Методы автоматизированного проектирования, повышающие эффективность операций фрезерования криволинейных поверхностей на станках с ЧПУ

Х Ш: съезд КПСС поставил задачу поступательного развития народного хозяйства на основе ускорения научно-технического прогресса, более полного и эффективного использования производственных фондов. В машиностроении одним из основных путей повышения эффективности отрасли, экономии материальных и трудовых рессурсов, является использование оборудования с ЧПУ [l], В связи с усложнением конструкций изделий, сокращением сроков их замены, увеличением в них количества деталей сложной формы, особое значение приобретает автоматизация объемной обработки на станках с ЧПУ, эффективность которой, в основном, определяется уровнем автоматизации ее проектирования. Значительная часть машиностроительных деталей имеет сложные криволинейные поверхности. К таким деталям относятся: рабочие и направлящие лопатки паровых и газовых турбин, лопатки компрессоров и двигателей, лопасти гидротурбин, колеса насосов, лопасти гребных и воздушных винтов, элементы корпусов судов, летательных аппаратов, автомобилей, бытовых приборов, различные штампы и пресс-формы и т. д. Особенно велик удельный вес таких деталей в энергетическом машиностроении, где трудоемкость их изготовления составляет 45% и более от трудоемкости изготовления всей машины [б]. Процесс изготовления таких деталей, как правило, включает в себя операции фрезерования сложных криволинейных поверхностей на копировально-фрезерных станках или станках с ЧПУ. Применение для фрезерования криволинейных поверхностей станков с ЧПУ может обеспечить, по сравнению с копировальными станками, значительное увеличение производительности и точности обработки за счет выбора наиболее рациональных способов и — 7 И технологических схем фрезерования, минимизации длины траектории инструмента, многократного изменения режимов резания в зависимости от менящихся условий фрезерования и т. п. Эти преимущества станков с ЧПУ в настоящее время используются далеко не полностью, что объясняется, прежде всего, большой сложностью технологического проектирования. Проведение проектных работ по технологической подготовке производства деталей сложной формы на станках с ЧПУ традиционными методами, без использования ЭВМ, требует весьма больших сроков, а часто, например при подготовке управляющих программ (УП) для станков с ЧПУ, оказывается и вовсе невозможным. Применение обычной системы автоматизированного программирования (САП) не решает проблему эффективного использования станков с ЧПУ, так как проектирование технологических параметров обработки полностью остается за человеком (технологом-программистом) и не может быть выполнено на достаточно высоком уровне с учетом максимально возможного количества факторов, влиякщих на обработку. Решение задач по эффективному использованию станков с ЧПУ при фрезеровании сложных криволинейных поверхностей возможно лишь с пртаенением ЭВМ на основе соответствующих методов автоматизированного проектирования, в том числе диалоговых, и специальных систем автоматизированного проектирования технологических процессов (САПР ТП).К настоящему моменту глубоко разработаны основы теории автоматизации проектирования технологических процессов и создан ряд автоматизированных систем технологического проектирования в нашей стране [2, 17, 55, 85] и за рубежом [б4]. Важный вклад в эту работу внесен трудами Г. К. Горанского [l8], П. Митрофанова [57], Н. М. Капустина [34, 35], В. Д. Цветкова [8б]. Однако, разработанные системы, в основном, ориентированы на массовое и крупносерийное производство деталей общего машиностроения, — 8 ограниченных простейшими поверхностями, в них отсутствуют возможности проектирования фрезерной обработки сложных криволинейных поверхностей [l4], вопрос о технологичности моделей криволинейных поверхностей в различных САП, остается открытым. Изза трудностей учета постоянно меняющихся параметров процесса фрезерования криволинейной поверхности, их сложного взаимодействия, плохо поддаются алгоритмизации, в этом случае, расчеты режимов резания [40], погрешностей обработки [si], деформаций инструмента [sij и заготовки [70], контроль и внесение коррекций в УП [68]. Проведенный анализ литературных источников, ознакомление с опытом работы в этой области ведущих предприятий и организаций показали, что методы автоматизированного проектирования процессов фрезерования сложных криволинейных поверхностей на станках с ЧШГ недостаточно разработаны и изучены. Без исследования и разработки таких методов, которые могут служить основой создания специальной САПР ТП, невозможно эффективное использование станков с ЧПУ для фрезерования криволинейных поверхностей, Таким образом, повышение эффективности использования станков с ЧПУ путем автоматизированного проектирования технологических процессов фрезерования сложных криволинейных поверхностей является важной и актуальной проблемой, что и определило тему настоящей работы: «Методы автоматизированного проектирования, повышающие эффективность операций фрезерования криволинейных поверхностей на станках с ЧПУ» .Научная новизна. Исследованы и разработаны методы автоматизированного проектирования технологических процессов фрезерования сложных криволинейных поверхностей, повышающие производительность обработки и эффективность использования станков с ЧПУ. Рассмотрены принципы построения конструктивно-техноло- 9 гических и информационных моделей элементов криволинейных поверхностей и коглплексного режущего инструмента, отвечащих требованиям технологичности, что позволило рационализировать выбор оборудования, оснастки, способов и технологических схем фрезерования, режимов резания, минимизировать длину траектории инструмента и время обработки. Установлены зависимости вида траекторий обработки и числа опорных точек от типоразмеров инструмента, схем фрезерования, требуемой величины остаточных неровностей, Введены и детализированы иерархические этапы процесса проектирования фрезерной обработки сложной криволинейной поверхности и способы синтеза моделей операционной технологии. Разработана система автоматизированного проектирования на SBM операционных технологических процессов фрезерования сложных криволинейных поверхностей. Практическая ценность и реализация в промышленности. На основе разработанных методов автоматизированного проектирования процессов фрезерования криволинейных поверхностей, реа-шзованных в Бвде соответствующих машинных моделей и алгоритмов, создана специальная система проектирования технологических процессов, Автоматизированная Система Проектирования Обработки Лопаток турбин и компрессоров (АСПОЛ). Применение результатов исследования и разработанных методик позволило значительно сократить время проектирования технологических процессов и программирования для станков с ЧПУ, повысить эффективность использования станков с Ш У при фрезеровании заготовок сложной формы. САПР АСПОЛ реализована на ЕС ЭВМ в операционных системах ОС и ДОС, а также на СМ ЭВМ, где проектирование ведется в диалоговом режиме. Разработанные алгоритмы и система АСПОЛ могут быть использованы для автоматизированного проектирования операций фрезерования на станках с ЧПУ не только профилей лопаток, но и других сложных — 10 криволинейных поверхностей, Результаты исследований внедрены в промышленность в производственном объединении турбостроения «Ленинградский Металлический Завод». С помощью системы АСПОЛ спроектированы сотни технологических процессов фрезерования различных зон криволинейных поверхностей и выпущены управляющие программы обработки на станках с ЧПУ лопаток турбин К-300, К-500, К-800, ПТ-80, T-I80, уникальной турбины K-I200, атомного «миллионника» — турбины K-IOOO и других. Производственная обработка этих лопаток показала, что экономический эффект от использования одного станка с ЧПУ составляет 4 тысячи рублей. Годовой экономический эффект составил 120 тысяч рублей. Время на разработку управлящих программ для сташюв с ЧПУ снизилось в 50 раз, а на их отладку на станках в 10 раз. Машинное врегля фрезерных операций сокращено на 25^ за счет использования рациональных параметров и схем обработки. Автор защищает- 1. Методы автоматизированного контроля размерных связей и чертежной информации о криволинейных поверхностях, подлейсащих обработке, 2. Модель коглплексного режущего инструмента, отвечающую требованиям автоматизированного проектирования обработки криволинейных поверхностей, 3. Методы определения точек контакта режущего инструмента с теоретическим профилем криволинейной поверхности.4. Информационные модели сложных криволинейных поверхностей, отвечакщие требованиям технологичности, и методы их преобразования в процессе автоматизированного проектирования фрезерной обработки на станках с ЧПУ, 5. Методики расчета опорных точек траекторий обработки криволинейных поверхностей при различных способах и схемах фрезереII вания.6. Методы автоматизированного синтеза рациональных схем фрезерования зон криволинейных поверхностей на станках с ЧПУ.

7. Методики расчета параметров процесса фрезерования криволинейных поверхностей на станках с ЧПУ в опорных точках траектории обработки.8. Методы минимизации длины траектории инструмента, холостых перемещений и времени обработки криволинейных поверхностей на станках с ЧПУ.

9″ Структуру и методы реализации на ЭВМ специальной САПР ТП фрезерования сложных криволинейных поверхностей на станках с ЧПУ, а также структуру и методы реализации ее подсистем. Апробация работы. Результаты работы докладывались на научных семинарах кафедр станкостроения ЛИИ им. М. И. Калинина и технологии энергетического машиностроения Завода-ВТУЗа при ПО «ЛШ», на восьми краткосрочных семинарах в ЛДНТП в 1975;1983 гг, на всесоюзной научно-технической конференции: «Проблемы обработки деталей машиностроения на станках с ЧПУ» (г.Свердловск, 1983 г.), на республиканских научно-технических конференциях и совещаниях: «Автоматизация проектирования машиностроительных предприятий» (г.Киев, I98I г.), «Механизация и автоматизация ручных и трудоемких работ в машиностроении» (г.Ижевск, I98I г.), «Применение технологического оборудования с ЧПУ для автоматизации производства в машиностроении» (г.Киев, 1982 г.), на областных и зональных семинарах и научно-технических конференциях в Пензенском Политехническом Шституте (1982 г.). Ярославском Политехническом Институте (1982 г.), Челябинском Политехническом Институте (1982 г.).Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 печатные работы, получено авторское свидетельство на изобретение. — 12.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ.

IАнализ и исследование особенностей процесса проектирования фрезерной обработки криволинейных поверхностей позволили установить иерархическую последовательность этапов, критерии оценки решений и ограничения, необходимые для его автоматизации, многократно сократись время проектирования.

2. На основе проведенных исследований разработаны методы автоматизированного проектирования и реализующая их на ЭВМ САПР АСПОЛ, с помощью которой получены и внедрены в ПО турбостроения «Ленинградский Металлический завод» более трехсот операционных технологических процессов и управляющих программ фрезерования криволинейных профилей на станках с ЧПУ, при этом годовой экономический эффект составил 122,5 тыс.рублей.

3. Разработанные методы автоматизации технологического проектирования позволяют быстро и без существенных затрат повысить эффективность использования многокоординатных станков с ЧПУ на основе более полного использования их широких технологических возможностей.

4. Предложенные конструктивно-технологические и информационные модели элементов криволинейных поверхностей и комплексного режущего инструмента допускают простые формы контроля и коррекции размерных связей, учета припусков, остаточных неровностей, размещения строк обработки.

5. Исследование процесса проектирования геометрических параметров операций фрезерования криволинейных поверхностей позволило разработать методики определения минимального необходимого количества точек контакта инструмента с поверхностью, их оптимального размещения и расчета положений опорных точек траекторий обработки.

6. Применение разработанных методов синтеза технологических схем фрезерования и отдельных переходов приводит к уменьшению длины траекторий, машинного времени и погрешностей обработки, обеспечивая наилучшие условия фрезерования.

7. Модель локального взаимодействия инструмента с заготовкой позволяет определять параметры, необходимые для расчета оптимальных режимов резания и деформаций элементов технологической системы в процессе фрезерования криволинейной поверхности и учета их в кадрах управляющей программы.

8. Производственная обработка криволинейных поверхностей турбинных лопаток, автоматизированное проектирование которой велось на основе предложенных методов, показала, что количество операций, используемых станков с ЧПУ, типоразмеров инструмента снижается в 2−6 раз, а машинное время — на 20%. При этом точность обработки повышается.