Для отправки ваших публикаций, пожалуйста, зарегистрируйтесь.

Если Вы уже зарегистрированы, то авторизуйтесь на сайте.


  1. Вход или регистрация
  1. Подписка

Численные исследования по определению пространственных отклонений заготовки, возникающих при обработке на станках с ЧПУ
23 июля 2018             

Авторы: Р.Ю. НЕКРАСОВ, канд. техн. наук, доцент А.И. СТАРИКОВ, ст. преподаватель Ю.А. ТЕМПЕЛЬ, ассистент О.А. ТЕМПЕЛЬ, ассистент (ФГБОУ ВО ТИУ, г. Тюмень) Некрасов Р.Ю.– 625000, Тюменская обл., г. Тюмень, ул. Володарского, д. 38 Тюменский индустриальный университет, e-mail: syncler@mail.ru

Введение

Среди значительных направлений в исследованиях авторов в области повышения точности и качества обработки являются программная коррекция перемещений исполнительных рабочих органов станка, разработка и исследование интеллектуальных систем управления, автоматическое управление геометрической точностью и регулирование силовых параметров в процессе обработки [1 - 5]. Но, так как на процесс обработки влияет множество факторов, то актуальная задача на сегодняшний день – пополнение уже имеющейся базы знаний в рассматриваемой области и повышение эффективности и результативности современного производства машиностроения.
 
Кроме того, требования к проектированию в машиностроении постоянно повышаются, в связи с внедрением новых технологических процессов, режимов, материалов при изготовлении деталей с высокими требованиями к размерной точности и эксплуатационному ресурсу, поэтому наиболее выгодным становится применение численного моделирования.
 
Одним из методов численного моделирования, который нашел широкое применение в области инженерного анализа, является метод конечных элементов (МКЭ) [6 - 13]. Поскольку служит более совершенным инструментом для проведения расчетов при решении задач обеспечения надежности проектов в области машиностроения.
 
В связи с вышесказанным, целью исследования является: использование методов численных исследования и рассмотрение возможности их применения при разработке управляющих программ для обработки деталей типа тел вращения с целью повышения точности их формообразования.
 

Методика экспериментального исследования

 
Для выполнения задач исследования использовались теоретические основы и научные положения, сформулированные в трудах отечественных ученых в области технологии машиностроения, автоматизации и управления технологическими процессами, резания металлов. При выполнении работы использованы методы вычислительной математики, математического моделирования, матричного анализа, статистической обработки результатов экспериментов. Для конечно-элементного моделирования воздействия составляющих сил резания на объект исследования использовался программный продукт SolidWorks Simulation.
 

Результаты и обсуждение

 
При точении деталей инструмент выполняет функцию формообразования, то есть должен обеспечивать получение поверхностей заданных размеров и формы. Решение таких задач во многом определяется кинематикой процесса резания. Кинематика формообразования точением рассматривается как сочетание четырех составляющих: формы полученной поверхности детали; формы производящей поверхности режущего инструмента; формообразующих движений резца относительно заготовки; положения резца и заготовки относительно друг друга.
 
С целью назначения необходимых технологических условий формообразования детали в заданных пределах допуска реализуется ряд следующих задач: построение математической модели формообразования поверхности детали с помощью кромки РИ, а также проведение численных исследований с помощью метода конечных элементов для определения пространственных отклонений заготовки, возникающих в процессе обработки на станках с ЧПУ под действием составляющих сил резания и возможности их компенсации.
 
В процессе обработки детали станок подвергается интенсивному воздействию целого комплекса эксплуатационных нагрузок, имеющих случайную природу, вследствие чего траектории формообразующих элементов изменяются в широких пределах, что в свою очередь ведет к изменению формы детали и ее показателей точности. А, как известно, повышение точности изготовления деталей увеличивает срок службы машин и оборудования. При недостаточной точности изготовления составляющих машину частей качество ее функционирования будет невысоким и в процессе работы могут возникать существенные динамические нагрузки, которые приводят к ускоренному износу оборудованию и его разрушению.
 
Многие отечественные авторы [1 - 4, 12 - 15] считают критическим влияние погрешностей на обработку, вызванных силами резания, тепловыми явлениями, износом режущего инструмента, которые приводят к изменению формы и пространственного положения, как исполнительных органов станка, так и обрабатываемой заготовки.
 
Поскольку резание представляет собой многофакторный процесс, и полное аналитическое описание его в настоящее время практически невозможно [4, 5], поэтому в настоящей работе была решена узкая задача, направленная на моделирование трансформации модели детали при воздействии на нее упругих силовых деформаций в ходе реализации токарной обработки и оценку их влияния на размерную точность готового продукта.
 
Неограниченные возможности реализации компьютерных моделей на основе МКЭ обусловили разработку новых методов математической физики для решения задач динамики, устойчивости, физической и геометрической нелинейности [6].
 
Так как в общем объеме механической обработки на долю изготовления корпусных деталей и деталей типа тела вращения приходится около 55%, то объектом исследования послужил вал из стали марки Сталь 40X (ГОСТ 4543-71). В качестве примера рассмотрена заготовка при точении, закрепленная в токарном патроне без заднего центра (см. рис. 1).
 
Численные исследования по определению пространственных отклонений заготовки, возникающих при обработке на станках с ЧПУ
Рис. 1. Эскиз детали
 
 
 
 
 
Для конечно-элементного анализа, рассчитав составляющие силы резания, возникающие в процессе точения цилиндрической поверхности детали диаметром 33 мм и длиной 120 мм при однократном черновом точении, с глубиной резания t=2,5 мм, режущем инструменте – проходном резце Т15К6 ГОСТ 18878-73 с размером державки 16Ч25 и следующими геометрическими элементами резца: главный угол в плане φ°=45°; передний угол γ°=0°; угол наклона главного лезвия λ°=0°, создается расчетная модель с физико- механическими свойствами выбранного материала. Свойства выбранного материала следующие: модуль упругости E=1,76∙10-5 МПа; коэффициент Пуассона ν=0,25; плотность ρ=7670 кг/м3. Задаваемая нагрузка – составляющие силы резания Pz,y,x = 2798/1392/1392 Н.
 
Результаты конечно-элементного анализа показывают изменение пространственной формы исследуемого объекта. После обтачивания форма детали получится не цилиндрической, а седлообразной в результате деформации от приложенных сил резания.
 
В связи с вышесказанным, на основании проведенного численного моделирования, следующим этапом являлось внесение изменений в исходную геометрическую модель, записанную в STEP формате. Для подтверждения результативности предлагаемого способа управления геометрической точностью заготовки на станках с ЧПУ проведены экспериментальные исследования двух партий деталей, каждая из которых состояла из пяти штук, обработанных на токарном центре SMTCL CAK50135 проходным резцом Т15К6 ГОСТ 18882-73 с размером державки 16Ч25. Первая партия обрабатывалась без учета возникающих погрешностей, вторая партия деталей подлежала обработке по программе с измененной траекторией перемещения вершины резца на основе трансформированной CAD-модели.
 
Для оценки показателей надежности по параметрам качества изготовляемой продукции в зависимости от вида технической системы и целей оценки использовались опытно-статистические методы. При сравнении результатов измерений и определения надежности технологической операции при обработке деталей без изменения управляющей программы и обработанных по предлагаемому способу управления геометрической точностью обработки, можно сказать, что эффективность и результативность способа подтверждена экспериментом и анализом полученных при эксперименте данных. Поскольку по результатам анализа распределения случайной величины наблюдается постоянство смещения математического ожидания в партии деталей, обработанных по управляющей программе с трансформируемой CAD-моделью, кроме того среднее квадратическое отклонение уменьшилось на 40,9%, а размаха варьирования почти в два раза.
 

Выводы

 
В современной научной литературе большое внимание уделено качеству и точности металлообработки на станках с числовым программным управлением, в связи с этим актуальной задачей являлось выявление основных тенденций и проблем, возникающих в данном направлении познавательной деятельности научного сообщества.
 
В представленном исследовании достигнута следующая цель: повышение размерной точности формообразования деталей типа тел вращения, качества их металлообработки, эффективности использования производственной точности технологического оборудования при точении на станках с числовым программным управлением.
 
Для реализации поставленной цели проанализированы факторы, которые влияют на качество и точность обработки на станках с ЧПУ. На основании этого анализа, а также с учетом того, что резание представляет собой достаточно сложный процесс, в работе была решена узкая задача по моделированию трансформации CAD-модели детали ступенчатый вал, с учетом компенсации погрешности, возникающей в процессе действия на заготовку силы резания при обтачивании.
 
Предложен подход к определению упругих деформаций заготовки под действием сил резания и управления точностью обработки на станках с ЧПУ с использованием метода конечных элементов.
 
Достоверность полученных результатов подтверждается численными и физическим экспериментами.
 
Проведена оценка надежности технологической операции механической обработки двух партий деталей, с помощью применения методов статистического анализа. Первая партия – детали, изготовленные по управляющей программе с измененной CAD-моделью заготовки и, вторая партия – без изменения. Сравнение результатов оценки подтверждает эффективность и результативность предлагаемого способа управления геометрической точностью обработки деталей типа вал на станках с ЧПУ.
 
Список литературы

1. Лысенко А.Ф., Изюмов А.И., Гончаров О.В. К оценке погрешности обработки деталей при интеллектуальном управлении станком // Вестник Донского государственного технического университета. – 2014. – Т. 14, № 3 (78). – С. 96–102.
2. Структура и принципы работы интеллектуальной системы управления обработкой на станках с ЧПУ / Р.Ю. Некрасов, А.И. Стариков, И.В. Соловьев, О.В. Бекарева // Технология и материалы. – 2015. – № 4. – С. 41–48.
3. Щуров И.А., Болдырев И.С. Моделирование процесса резания заготовок из композитных материалов с применением метода конечных элементов // Вестник Южно- Уральского государственного университета. Серия «Машиностроение». – 2012. – № 12. – С. 143–149.
4. Кузнецов А.С., Дроздов А.А. Технологическое обеспечение точности при обработке на станках с ЧПУ // Современные проблемы науки и образования. – 2015. – № 2. – С. 165– 170.
5. Соловьев И.В., Темпель Ю.А., Темпель О.А. Применение метода конечных элементов для управления размерной точностью обработки деталей на станках с ЧПУ // Международная научно-техническая конференция «Инновации и перспективы развития горного машиностроения и электромеханики: IPDM-2017: сборник трудов. – СПб.: С.- Петерб. горный ун-т, 2017. – 378 с.
6. Муселемов Х.М., Устарханов О.М., Ферзалиев И.А. Применение метода конечных элементов при расчете трехслойных балок // Наука в цифрах. – 2016. – № 1. – С. 14–16.
7. Шаламов В.Г. Математическое моделирование при резании металлов: учебное пособие. – Челябинск: Изд-во ЮжУрГУ, 2007.
8. Ласуков А.А., Дурев В.В. Стружкообразование при обработке конструкционных материалов // Горный информационно-аналитический бюллетень. – 2011. – Т. 2, №12. – С. 314–322.
9. Совершенствование технологических процессов машиностроительных производств / А.С. Янюшкин, С.О. Сафонов, Д.В. Лобанов и др. – Братск: Изд-во БрГУ, 2006. – 302 с.
10. Lasukov A.A., Mokhovikov A.A. 2012 Influence of modified layer of tool on stress – Strain state of cutting wedge // Proceedings of the 7th International Forum on Strategic Technology, IFOST 2012. – Tomsk, 2012. – doi: 10.1109/IFOST.2012.6357720.
11. Putilova U.S., Nekrasov Yu.I., Lasukov A.A. Loading of the manufacturing systems elements in the process of unsteady mode cutting and the models of their arrangement deviations// Applied Mechanics and Materials. – 2014. – Vol. 682. – P. 192–195.
12. Григорьев А.С., Никишечкин П.А. Практические аспекты разработки модуля диагностики и контроля режущего инструмента в системе ЧПУ // Вестник МГТУ Станкин. – 2013. – № 4 (27). – С. 65–70.
13. Технологическое обеспечение точности и математическое моделирование процессов механообработки в машиностроении: учебное пособие / В.А. Иванов, В.В. Новоселов, Ю.И. Некрасов, Ю.И. Шаходанов. – Тюмень: ТюмГНГУ, 2001. – 194 с.
14. Иващенко А.П. Методы и средства контроля состояния режущего инструмента // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2015. – № 12-3. – С. 393–396.
15. Неизвестных А.Г., Крылов Е.Г. Анализ точности обработки деталей на станках с ЧПУ // Известия Волгоградского государственного технического университета. – 2008. – Т. 4, № 9 (47). – С. 89–91.
 
Актуальные проблемы в машиностроении. Том 4. № 2. 2017 Инновационные технологии в машиностроении

Обсудить статью на Форуме Машиностроителей






Комментариев пока нет
{c_navigation}

Написать комментарий

Другие публикации по теме





Автоматизация промышленных предприятий Автоматизация промышленных предприятий
Диспетчеризация производства, идентификация и прослеживаемость, управление КПЭ (KPI)...
(495) 662-43-70
Rodcraft (Родкрафт), Deprag, Stahlwille (Штальвиль), инструмент Atlas Copco (Атлас Копко), Iscar (Искар), Sandvik Coromant (Сандвик Коромант), Mitsubishi (Митсубиси). Маркировка труб, горячего металла в металлургии. Промышленное оборудование и инструмент
Rodcraft (Родкрафт), Deprag, Stahlwille (Штальвиль), инструмент Atlas Copco (Атлас Копко), Chicago Pneumatic (Чикаго Пневматик), Fuji (Фуджи), Desoutter, Iscar (Искар), Sandvik Coromant (Сандвик Коромант), Mitsubishi (Митсубиси), Korloy (Корлой), Seco tools, SGS tools, Onsrud, Fette, Guhring и пр. Оборудование для маркировки. Маркировка труб, горячего металла в металлургии. Фаскосниматели (фаскорезы, кромкорезы), ручные фрезеры по металлу. Пневмодвигатели (пневматические двигатели, пневмомоторы).
(495) 668-13-58
ИРОК-2М. Купить. Инструкция.
Инструмент ИРОК-2М от производителя. Купить. Скачать инструкцию и другие документы. Прочий электромонтажный инструмент и электрокомпоненты.
(495) 668-13-58 доб. 4
Реклама на сайте и-Маш Реклама на сайте и-Маш      
pr()i-mash.ru