Разработка метода расчета точности сборных фасонных фрез на основе пространственного моделирования

Актуальность темы

В настоящее время существует объективная потребность в средствах повышения производительности и эффективности инженерно-технического труда. Это связано, во-первых, с ускоренным ростом числа проектных задач, во-вторых, с возрастанием конкуренции на международном рынке. В ближайшие десятилетия самым перспективным и дорогостоящим видом продукции станут автоматизированные системы конструкторско-технологической подготовки производства, образующиеся путем интеграции достижений в области математического моделирования и автоматизации.

В качестве одного из объектов автоматизации можно назвать процесс проектирования режущих инструментов. Вопросы, связанные с автоматизированным проектированием инструмента, рассмотрены в работах С. И. Лашнева, В. А. Гречишникова, Б. И. Ящерицина, А. Н. Борисова, И. А. Ординарцева, П. Р. Родина, C.B. Лукиной, С. Г. Емельянова и др.

При изготовлении любых изделий, в том числе и режущих инструментов, неизбежны погрешности, в связи с чем возникает вопрос об анализе точности. В настоящее время в промышленности широко применяются такие высокотехнологичные виды оборудования, как обрабатывающие центры, координатно-измерительные машины, поэтому неотъемлемым атрибутом производства становится трехмерная модель и числовая программа управления, используемые для изготовления и контроля изделий. В свою очередь, это влечет за собой требования к автоматизации размерного анализа и применению математического моделирования с целью принятия объективных решений и избежания необоснованного завышения или занижения точности изделий.

В качестве фундаментальных работ, связанных с расчетами точности изделий в первую очередь следует назвать труды Б. С. Балакшина, П. Ф. Дунаева, Б. М. Базрова и др. Методам автоматизации размерных расчетов посвящены работы И. А. Иващенко, Б. С. Мордвинова, В. В. Матвеева, Ю. М. Сметанина и др.

В общем случае вопрос точности проектируемого изделия может быть решен с использованием специальных модулей, интегрированных в зарубежных и отечественных системах автоматизированного проектирования: КОМПАС, AutoCAD, SolidWorks, Creo Elements/Pro (Pro/Engineer), NX (Unigraphics), CATIA и т. д.

Особое значение вопрос расчета точности приобретает ' для инструмента фасонного типа, погрешность геометрии образующей поверхности которого непосредственно переносится на профиль обрабатываемых деталей сложной пространственной формы.

В этой связи проведение дальнейших исследований, направленных на разработку средств конструкторско-технологической подготовки производства фасонных фрез, оснащенных сменными многогранными пластинами (СМП), является актуальной научно-технической задачей.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках реализации аналитической ведомственной целевой программы «Развитие научного потенциала высшей школы» проект «Разработка геометрической теории формирования поверхностей режущими инструментами».

Работа выполнена в рамках реализации федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009;2013 годы по Государственному контракту №П527 «Разработка методологии вероятностного математического моделирования точности изделий на основе геометрической теории формирования поверхностей режущими инструментами».

Объект исследования. Процесс проектирования сборных фасонных фрез на основе геометрической теории формирования поверхностей режущими инструментами с учетом допусков размеров.

Предмет исследования. Метод расчета точности размеров сборных фасонных фрез на основе пространственного моделирования на примере гиперболической фрезы для репрофилирования рельсов.

Цель работы. Повышение эффективности конструкторско-технологической подготовки производства сборных фасонных фрез за счет разработки метода расчета точности размеров на примере гиперболической фрезы для репрофилирования рельсов.

Для достижения цели настоящей работы необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ состояния существующей научно-технической базы проектирования и размерного анализа сборных фасонных фрез.

2. Разработать метод расчета точности размеров на основе пространственного моделирования, позволяющий рассчитывать точность размеров при дискретном представлении сложных форм.

3. Создать геометрическую модель образования погрешностей размеров обрабатываемой поверхности профиля головки рельсов.

4. Создать геометрическую модель образования погрешностей размеров производящей поверхности сборных гиперболических фрез.

5. Разработать метод расчета точности размеров сборных гиперболических (фасонных) фрез на этапах проектирования и конструирования инструмента.

6. Построить автоматизированную систему расчета точности размеров сборных гиперболических фрез для репрофилирования рельсов.

7. Установить закономерности влияния исходных данных для проектирования на выходные параметры точности размеров корпуса фрезы.

Методы исследования. Базируются на фундаментальных положениях технологии машиностроения, теории проектирования режущих инструментов, векторно-матричном исчислении, теории графов, вероятностном моделировании, методах математического и компьютерного программирования.

Положения, выносимые на защиту:

1. Метод расчета точности размеров на основе пространственного моделирования, математический аппарат которого позволяет автоматизированно выявлять размерные цепи по замыкающим звеньям, автоматизированно определять увеличивающие и уменьшающие звенья и производить одновременные расчеты нескольких размерных цепей при дискретном представлении сложных пространственных форм.

2. Геометрическая модель образования погрешностей размеров профиля обрабатываемой поверхности, позволяющая рассчитать точность размеров производящей поверхности сборных фасонных фрез на этапе проектирования инструмента.

3. Геометрическая модель образования погрешностей размеров производящей поверхности сборных фасонных фрез, позволяющая рассчитать точность размеров элементов корпуса на этапе конструирования инструмента.

4. Метод расчета точности размеров сборных гиперболических фрез на этапах проектирования и конструирования инструмента.

Научная новизна работы заключается в:

1. Разработке метода расчета точности размеров на основе геометрической теории формирования поверхностей режущими инструментами, отличающегося тем, что он позволяет автоматизированно выявлять размерные цепи по замыкающим звеньям, а также автоматизированно определять увеличивающие и уменьшающие звенья и производить одновременный расчет нескольких размерных цепей при дискретном представлении сложных пространственных форм.

2. Разработке метода расчета точности размеров сборных гиперболических (фасонных) фрез на основе геометрических моделей образования погрешностей размеров профиля обрабатываемой поверхности и производящей поверхности инструмента.

3. Уточнении (развитии) геометрической теории формирования поверхностей режущими инструментами для процесса репрофилирования рельсов гиперболическими фрезами, оснащенными СМП, которая учитывает погрешности технологической системы и допуски на изготовление инструмента.

4. Установлении закономерностей (функциональных зависимостей) точности положения пазов под СМП в корпусе сборных гиперболических фрез от параметров установки на станке (угла поворота? относительно направления подачи, угла поворота у/ относительно оси симметрии рельса) и минимального радиуса К0. Практическую значимость диссертационной работы составляют:

1. Метод и алгоритмы для расчета пространственных размерных цепей при размерном анализе поверхностей сложных пространственных форм в дискретном представлении.

2. Система автоматизированного проектирования, состоящая из комплекса программ для расчета точности размеров сборных гиперболических фрез, обеспечивающая установление обоснованных требований к точности инструмента и сокращение сроков проектирования за счет снижения трудоемкости конструкторско-технологической подготовки производства.

3. Методические рекомендации по проектированию и технологической подготовке производства сборных гиперболических фрез для обработки поверхностей деталей с выпуклым профилем, обеспечивающие выбор рациональных исходных данных при проектировании.

Основные теоретические и практические результаты работы, представленные в виде методов, алгоритмов и программного обеспечения для расчета точности сборных фасонных фрез, внедрены в практическую деятельность ОАО «ГЕОМАШ» (г. Щигры), ОАО «Рязанский проектно-технологический институт» (г. Рязань) и используются в учебном процессе кафедры «Машиностроительные технологии и оборудование» Юго-Западного государственного университета при изучении дисциплин «CAD/CAM системы» и «САПР технологических процессов» студентами третьего, четвертого и пятого курса специальностей 151 001.65, 151 003.65.

Область исследований. Содержание диссертации соответствует п. 4 «Создание, включая проектирование, расчеты и оптимизацию, параметров инструмента и других компонентов оборудования, обеспечивающих технически и экономически эффективные процессы обработки» специальности 05.02.07 — Технология и оборудование механической и физико-технической обработки.

Личный вклад автора заключается в постановке задач, проведении теоретических исследований, в обработке и интерпретации результатов и формулировке выводов.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов «Будущее машиностроения России» (Москва, 2008), на X Международном Российско-Китайском симпозиуме «Современные материалы и технологии» (Хабаровск, 2009), на научно-техническом совете Орловского государственного технического университета (Орел, 2010), на Международных научно-технических конференциях «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» Юго-Западного государственного университета в 2008;2011 гг.

Во введении к диссертации обосновывается актуальность темы, определяется цель исследования, показаны научная новизна и практическая значимость работы. Кратко излагается содержание разделов диссертации.

В первом разделе приведено обоснование эффективности использования сборного фасонного инструмента, проведен анализ методов проектирования сборных фасонных фрез, рассмотрен общий подход к проектированию режущего инструмента на основе геометрической теории формирования поверхностей режущими инструментами.

Обоснован расчетный подход к анализу точности изделий. Произведен обзор состояния существующей научно-технической базы методов анализа точности изделий на стадии проектирования. Рассмотрены специальные модули отечественных и зарубежных систем автоматизированного проектирования, предназначенные для проведения расчетов точности проектируемого изделия.

Определен перечень задач, решаемых при автоматизации расчетов точности сборных фасонных фрез на этапе конструкторско-технологической подготовки производства.

Во втором разделе диссертации разработан метод расчета точности размеров изделий, позволяющий производить пространственное вероятностное математическое моделирование точности изделий.

Реализация поставленной задачи достигается благодаря использованию комбинации теории графов, методов матричного представления графов размерных связей, многопараметрических отображений аффинного пространства и теории вероятностей.

В третьем разделе создана геометрическая модель образования погрешностей размеров обрабатываемой поверхности профиля головки рельсов и разработан метод расчета точности размеров производящей поверхности сборных гиперболических фрез для репрофилирования (восстановления) рельсов.

В четвертом разделе сформирована геометрическая модель образования погрешностей размеров производящей поверхности сборных гиперболических фрез. На основе сформированной модели разработан метод расчета точности положения пазов корпуса под СМП сборных гиперболических фрез для репрофилирования рельсов на стадии конструирования. Описан способ контроля точности положения пазов под СМП в корпусе инструмента, который осуществляют с помощью координатной измерительной машины в режиме числового программного управления.

В пятом разделе изложен пример решения конкретной задачи, позволяющий наглядно продемонстрировать возможности системы, а также проведен анализ влияния исходных данных на выходные параметры точности размеров корпуса фрезы, позволивший выявить функциональный вид зависимостей допусков размеров, задающих положение пазов под СМП в корпусе инструмента от минимального радиуса Я0 инструмента, угла поворота С, относительно направления подачи фрезы, угла поворота ц/ относительно оси симметрии рельса (рис. 9−11). На основе полученных функциональных зависимостей устанавливают рациональные значения данных входных параметров.

Публикации. По материалам проведенных исследований опубликовано 10 печатных работ, в том числе 3 работы в рецензируемых научных журналах и изданиях и 2 свидетельства об официальной регистрации программ для ЭВМ.

Структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы и приложения.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Разработан метод расчета точности размеров на основе пространственного моделирования, который позволяет в автоматизированном режиме выявлять размерные цепи по замыкающим звеньям, определять увеличивающие и уменьшающие звенья размерных цепей и производить одновременные расчеты нескольких размерных цепей при дискретном представлении сложных пространственных форм.

2. Получена геометрическая модель образования погрешностей размеров профиля обрабатываемой поверхности, позволяющая рассчитать точность размеров различных производящих поверхностей сборных фасонных фрез.

3. Получена геометрическая модель образования погрешностей размеров производящей поверхности сборных фасонных фрез, позволяющая рассчитать точность положения пазов под СМП в корпусе инструмента.

4. На основе полученных геометрических моделей образования погрешностей размеров профиля обрабатываемой поверхности и производящей поверхности сборных фасонных фрез разработан метод, позволяющий рассчитать точность сборных фасонных фрез на этапах проектирования и конструирования инструмента.

5. Создана автоматизированная система расчета точности размеров сборных гиперболических фрез, позволяющая расчетным путем установить рациональные значения параметров точности размеров проектируемого инструмента и сократить сроки проектирования в 4 раза за счет снижения трудоемкости конструкторско-технологической подготовки производства.

6. Создан автоматизированный расчетно-аналитический комплекс моделирования образования погрешностей размеров профиля обрабатываемой поверхности и производящей поверхности сборных гиперболических фрез, позволяющий получать функциональные зависимости наиболее «жестких» значений допусков размеров инструмента от минимального радиуса Я0 фрезы, угла поворота С, относительно направления подачи фрезы и угла поворота у относительно оси симметрии рельса при фиксированных значениях других исходных параметров. Получаемые зависимости имеют экстремумы при определенных значениях Яо, С и у/, обеспечивающих возможность расчета рациональных значений данных параметров. В результате практической реализации разработанных методов, алгоритмов и программного обеспечения для расчета точности сборных фасонных фрез на основе пространственного моделирования на ОАО «ГЕОМАШ» (г. Щигры) и ОАО «Рязанский проектно-технологический институт» (г. Рязань) суммарный годовой экономический эффект составил 342 тысячи рублей.