Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования 6
1.1. Роль технологической оснастки в современном производстве 6
1.1.1. Классификация станочных приспособлений 7
1.1.2. Элементы станочных приспособлений и их функции 14
1.1.3. Погрешности установки заготовок в приспособлениях 17
1.2. Типовые схемы установок в приспособления 23
1.3. Методы определения и расчета погрешностей, возникающих на этапе закрепления 27
1.4. Обзор работ по контактным задачам в технологии 40
1.5. Методы исследования процесса установки с помощью математического моделирования 43
1.6. Постановка задачи исследования 48
1.7. Выводы по главе 1 50
Глава 2. Математическая модель формирования погрешности закрепления призматического тела в координатный угол 51
2.1. Предпосылки и допущения 51
2.2. Расчет точности положения детали по гипотезе распределения давлений, пропорциональных прогибам 54
2.3. Вывод основных соотношений для точностной модели 57
2.4. Взаимодействие нажимной планки с заготовкой . 68
2.5. Выводы по главе 2 78
Глава 3. Моделирование погрешности закрепления призматических деталей на основе метода малых возмущений 79
3.1. Постановка задачи и исходные данные 79
3.2. Вывод основных соотношений 85
3.3. Взаимодействие с корпусной деталью 99
3.4. Выводы по главе 3 108
Глава 4. Методика расчета погрешности закрепления . 109
4.1. Алгоритм расчета 109
4.2. Подготовка исходных данных 112
4.3. Контакт прижима с заготовкой 124
4.4. Выводы по главе 4 131
Основные выводы 132
Список литературы 134
Приложения 144
- Роль технологической оснастки в современном производстве
- Предпосылки и допущения
- Постановка задачи и исходные данные
- Алгоритм расчета
Введение к работе
Точность изготовления деталей в условиях автоматизированной системы подготовки производства во многом определяется правильностью выбора конструкции станочного приспособления, обеспечивающего заданную точность обработки.
Точность технологической оснастки непосредственно связана как со структурой конструкции приспособления, так и с вопросами базирования и закрепления.
В связи с основополагающей ролью базирования, точности базирования в исследованиях уделяется значительное внимание. Вопросам, связанным с погрешностью закрепления, уделяется значительно меньше внимания, и если приходится определять погрешность закрепления, то при этом используются простейшие расчетные схемы.
Это связано с тем, что множество существующих и проектируемых конструкций приспособлений имеет многообразие структур и геометрических форм. Однако, общее в конструкциях приспособлений составляет то, что приспособление представляет собой совокупность упорядоченных в пространстве и метрически определимых элементов.
Это свойство позволяет при автоматизированном проектировании различные конструкции приспособлений представить на основе общей информационной модели, которая отражает как узел в целом, элементный состав конструкции, так и геометрические, точностные и жесткостные взаимосвязи ее элементов и позволяет оценить погрешность закрепления на этапе автоматизированной подготовки производства. Изложенное показывает, что вопрос разработки информационной модели оценки точности установки технологической
оснастки на основе комплексной информационной модели является актуальным.
Цель работы:
Повышение качества и сокращение сроков проектирования технологической оснастки на основе рекомендаций по оценке точности закрепления корпусных деталей, получаемых с помощью автоматизированной системы.
Научная новизна:
Выявление существа функциональных связей между параметрами, определяющими точность закрепления корпусной детали в приспособлении с одной стороны и совокупностью размерных, силовых и физико-механических факторов с другой и разработка на этой основе метода прогнозирования точности закрепления.
На защиту выносится:
Математическая модель формирования погрешности закрепления призматического тела в координатный угол, учитывающая взаимодействия всего комплекса деталей в приспособлении.
Методика определения погрешности закрепления путем схематизации взаимодействующих тел на основе метода граничных элементов.
Информационная модель, алгоритмическое и программное обеспечение автоматизированной системы оценки погрешности закрепления.
Роль технологической оснастки в современном производстве
Технологическая оснастка - это орудия производства, дополняющие основное оборудование (металлорежущие станки, промышленные роботы) и предназначенные для выполнения технологического процесса механической обработки заготовок. К технологической оснастке относят: станочные, сборочные и контрольные приспособления, режущий и вспомогательный инструмент, устройства для захвата и перемещения заготовок.
Наиболее трудоемкой в изготовлении и дорогостоящей частью технологической оснастки являются станочные приспособления. Применение станочной оснастки, особенно переналаживаемого типа, не только обеспечивает, но и расширяет технологические возможности как универсальных, так и станков с числовым программным управлением и гпс.
Точность механической обработки в значительной степени зависит от станочной оснастки. При обработке заготовок методом пробных проходов точность детали зависит в основном от квалификации рабочего. Применение автоматического метода получении размеров механизированного закрепления заготовок в приспособлении практически полностью устраняет влияние уровня квалификации рабочего на точность обработки. Качество деталей в этом случае в значительной степени зависит от станочного приспособления, его точности, способности сохранить её в процессе обработки, места приложения и направления зажимной силы и т.д.
Особое значение приобретает технологическая оснастка для ГПС. Быстрая переналадка ГПС заключается не в смене программы, на что затрачивается незначительное время, а в переналадке приспособлений, замене комплекта инструмента. Применение прогрессивной быстропере-налаживаемой и управляемой от системы ЧПУ технологической оснастки является значительным резервом повышения степени гибкости ГПС.
Исходя из того, что станочные приспособления являются одним из звеньев технологической системы «станок-приспособление-инструмент-заготовка», к ним, как и ко всем элементам системы, предъявляются высокие эксплуатационные требования, конечная цель которых - обеспечить требуемую точность и качество изготовления деталей. К таким эксплуатационным свойствам относятся: жёсткость, надёжность, точность, износостойкость основных элементов, виброустойчивость.
Создание конструкций технологической оснастки, отвечающей перечисленным требованиям, процесс сложный и трудоемкий, предоставляющий конструктору широкие возможности для проявления творческой инициативы, реализовать которые наиболее рационально следует с использованием электронно-вычислительной техники.
Наиболее часто приспособления классифицируют по двум признакам: по группам станков и степени специализации.
1. По группам станков. Имеется некоторая общность в конструктивных элементах приспособления, применяемых на станках одной и той же группы или родственных групп. На этой основе и производится их классификация. Наиболее характерными и распространенными являются приспособ ления для следующих групп станков: токарных, револьверных, круглошлифовальных, сверлильных, расточных, фрезерных, протяжных, зубообрабатывающих. 2. По степени специализации. По этому признаку приспособления делят на универсальные, специализированные и специальные (рис. 1.1), включающие в себя семь систем: универсально-безналадочные (УБП), универсально-наладочные (УНП), специализированные безналадочные (СБП) и наладочные (СНП), универсально-сборные (УСП), сборно-разборные (СРП), неразборные специальные приспособления (НСП). Этим наименованиям соответствуют система технологической оснастки по ГОСТ 14.305-7; за исключением ОБП, которая стандартом не предусмотрена.
УБП представляют собой законченный механизм с постоянными (несъемными) элементами для базирования. Обеспечивают базирование обрабатываемых заготовок с последующим контролем и выверкой в условиях, когда к обрабатываемым деталям не предъявляются требования высокой точности взаимозаменяемости. Типовыми представителями УБП являются универсальные 4-х кулачковые патроны, универсальные поворотные и делительные столы и стойки и др.
Конструкции УБП стандартизованы. Оснащение операций УБП, при их наличии на предприятии, практически не требует времени на подготовку производства по сравнению с приспособлениями других систем. Затраты на оснащение не значительны, однако большое время на установку обрабатываемых заготовок ограничивает область применения УБП единичным и мелкосерийным производством.
СБП аналогичны по назначению УБП и используются для базирования и закрепления заготовок, близких по конструктивно-технологическим признакам, с одинаковыми базовыми поверхностями, требующих одинаковой обработки. При осуществлении однотипных операций необходимо регулировать их элементы. К ним относятся приспособления для групповой обработки деталей типа валиков, втулок, фланцев, дисков, корпусов и т.п.
Предпосылки и допущения
Рассмотрим математическую модель на примере закрепления: эке-сткого призматического тела. Схема закрепления осуществляется при помощи приспособления, показанного на рис. 2.1.
Пусть имеется тело (заготовка) Т, установленное в приспособлении, состоящего из корпуса Г,, установочных элементов Г2, Т3 и зажимов Г4, Г5, штоков Г6, Г7. Обрабатываемая поверхность S , геометрические и точностные параметры тела и элементов приспособления заданы заранее. Заданы также точностные параметры поверхности S по" еле обработки. Заданы также главный вектор {R} и главный момент {М} сил резания. Требуется определить координаты и направления сил за крепления Pi, Р2 и т.д., чтобы точки As геометрического образа, полученного после обработки поверхности S детали, принадлежали некоторой области G, ограниченной точностными параметрами (заштрихованная область (рис. 2.1.)). ASGG І= 1,2,...ms , где u L« минимальное и максимальное значения вектор-стол би,а параметров качества (отклонение формы, соосности, перпендикулярности и т.д.); {8І} - вектор-столбец параметров качества.
Другими словами, размерное моделирование процесса закрепления состоит в определении функциональных связей между набором параметров, характеризующих положение образа обрабатываемой поверхности и множеством параметров, описывающих состояние установочных элементов приспособления, зажимных устройств, состоянием стыкуемых поверхностей {5} = f((L, AT, Е, Q, a, fT, Н, RZ)(Q), (2.2) где L - множество геометрических параметров элементов приспособлений заготовки; AT - множество отклонений геометрических параметров; Е - множество физико-механических свойств материалов элементов приспособления и заготовки; Q - множество силовых факторов; Н - множество координат приложения сил закрепления; G - множество характеристик случайных величин; fT - множество коэффициентов трения; С - множество отношений; Rz - множество параметров шероховатости.
Рассмотрим решение задачи на примере приспособления, представленного на рис. 2.1. Заготовка Т устанавливается в «координатный угол» и зажимается усилиями Qi, Q2, Q3, Q4. Заданы вес Р заготовки, главный вектор {R} и главный момент {М} сил резания. Положение центра СІ масс элементов приспособления определено. Состояние рельефа стыкуемых поверхностей определено, заданы также коэффициенты трения. Известна контактная податливость стыков. Взаимодействие элементов в процессе закрепления рассматривается как процесс контактного взаимодействия каждого зажимного элемента с деталью, установочными элементами и корпусом приспособления.
В настоящее время наметилось два основных направления формирования модели. Одно опирается на метод координат с деформируемыми связями Б.М. Базрова. По этому методу решение сводится к определению положения систем координат деталей или узлов, построенных на основных и вспомогательных базах, между которыми установлены упругие связи.
Второе направление ориентировано на дискретное представление узлов и объемов объемными и поверхностными элементами и сводится к решению контактных задач между несколькими телами с учетом граничных условий между узлами и состояния рельефа стыкуемых поверхностей.
В данной работе используется комбинированный метод, основанный на определении положения координатных систем на основе дискретной модели.
Решение поставленной задачи сводится к определению вектор-столбца {є} смещения начал координат ОІ систем xyz, построенных на центрах масс СІ деталей относительно начальных положений {е}1 = [а1Ь1с1а/Ду ], где ai, ЬІ, СІ - составляющие смещений начала координат относительно осей xyz; «І, РІ, ТІ - составляющие малых поворотов системы координат относительно осей xyz; і - индекс деталей приспособления.
Кроме того, подлежат определению контактные нагрузки {N} и области {D}k их распределения в стыках.
Тогда погрешность закрепления определится для точки As, принадлежащей поверхности S как вектор {5} ее смещения от положения, занятого при базировании в новое положение (рис. 2.1), при малых смещениях координатных систем xyz.
Постановка задачи и исходные данные
В таблице 3.1 показаны типичные схемы [4] для расчета приспособлений. Формулы (столбец 3) получены для определения сил Q для удержания заготовки и не отражают оценку погрешности закрепления. В расчетных схемах не рассматривается взаимодействие деталей при опоре на пластинки. Кроме того, нагрузки прикладываются по идеализированным схемам без учета характера взаимодействия нажимного устройства с деталью. Задача ставится следующим образом. Рассматривается система, состоящая из четырех тел: 1,2 - зажимные элементы, 3 - заготовка, 4 - установочные элементы приспособления (рис. 3.1). Детали находятся в фиксированном начальном положении. Точки первоначального контакта Ai, А2, ... в стыкуемых поверхностях определены. Построим на центрах масс деталей координатные системы. Деталь 1 - система хп уп, деталь 2 — система хр ур, деталь 3 - система хт ут. Предполагаем, что положение центра С масс определено.
Координатные системы хп уп и хр ур заданы относительно системы хт ут следующим образом с помощью треугольников упк„, ipjpkp.
Начало координат Оп совпадает с точкой in, ось хп совпадает с направлением отрезка уп, хр совпадает с отрезком ipjp. Точки kn и кр - фиксированные точки. Оси Zn и Zp направлены перпендикулярно плоскости треугольников, а оси уп и ур - направлены так, чтобы система координат была правой.
В фиксированном положении узлов при нагружении конструкции внешними нагрузками {Р} и моментами {М}, возникающими при закреплении, происходит изменение положения деталей и узлов. Движение каждого узла детали представляется поступательными перемещениями а„, Ь„, сп и т.д. начал координат вдоль осей xn, yn, zn и вращениями ап, (Зп» Yn и т.д. относительно этих осей. Для плоской задачи представляют интерес соответственно перемещения а„, bn, an, ap, bp, ар, am, bm, ат.
Решение задачи сводится к определению малых возмущений систем координат xnyn, хрур, xmym относительно их начального положения -Поверхности Si, S2, S3, S4 заготовки определены с учетом отклонений формы и положения.
Покроем рабочие поверхности зажимных приспособлений и детали плоскими поверхностными конечными элементами.
Плоская задача, поверхности покрываются отрезками (im jm) так, чтобы нормали к поверхности были внешними. Для деталей обход контура будем осуществлять против часовой стрелки.
Для стыкуемой поверхности строятся треугольники ijk так, чтобы ось xs совпадала с i„Jm стороной треугольника, направление оси Zs совпадает с нормалью к поверхности, поэтому координаты фиксированной точки выбираются на отрезке і п, перпендикулярном к плоскости контура (см. рис. 3.3).
Системы координат х„, yn, zn и хр, ур, Zp задаются относительно системы xm, ут, zm координатами вершин своих треугольников (см. таблицу 3.2).
Поверхности деталей описываются наборами поверхностных элементов, которые задаются массивами se и ху (см. таблицы 2.3, 2.4). В массиве se строка соответствует номеру конечного элемента, в столбцы последовательно задаются номера узлов.
В массиве ху каждая строка соответствует номеру узла, в столбец помещаются координаты х, у. Координаты записываются в каждой из своих систем координат.
Рассматривается вначале плоская задача, т.к. большинство схем закрепления рассматриваются в двухмерной постановке, на примере которой будут показаны особенности разработанной модели.
В общем случае основным методом, используемым в работе, является метод преобразования систем координат. Пусть имеются две ортогональные системы координат, старая Оху и новая Osxsys (рис. 3.5). Ось xs образует с осью х угол V, который считается положительным, если вращение оси у происходит против часовой стрелки. Тогда составляющие Vxs, Vys вектора V в новой системе координат запишутся в виде матричного соотношения.
На характер смещений заготовки, как показал проведенный анализ, влияют факторы, входящие в формулу (3.34). Существенное влияние оказывает смещение направления и координаты приложения усилий закрепления. Для чего рассмотрим взаимодействие зажима с деталью в двухмерной постановке.
Методика расчета контактных давлений в стыке между зажимом и корпусной деталью изложена на примере обработки заготовки корпусной детали. Цель расчета определить распределение контактных давлений {N} и области {D} их приложения.
Предпосылки расчета и исходные данные. Расчетная схема выбрана с учетом конфигурации заготовки, типа производства. Примем схему установки заготовки в универсальное сборное приспособление, рекомендуемое для условий мелкосерийного производства (рис. 3.13).
Алгоритм расчета
Действие алгоритма иллюстрируется на примере схемы рис. 4.2, где показано приспособление, состоящее из корпуса 1, зажима 2, заготовки 3.
Внешняя нагрузка Q приложена к тяге зажима 2. Список идентификаторов и массивов представлен ниже:
1. На каждой детали строится правая система координат XqYqZq так, чтобы начало Cj координат совпадало с положением центра масс.
2. Положение системы координат XqYqZq задается в пространстве координатным треугольником iqjqkq, причем обход по узлам которого осуществляется против часовой стрелки так, чтобы начало системы совпадало с точкой iq, ось Xq направлена вдоль стороны треугольника (iqjq), ось Zq перпендикулярна плоскости треугольника, ось Yq направлена перпендикулярно плоскости XqZq так, чтобы система координат была правой.
3. Положения вершин координатных треугольников (iqjqkq) задаются относительно системы координат XpYpZp, построенной на обрабатываемой заготовке.
4. Положения систем координат XUYUZU, в которых описывается обрабатываемая или контактируемая поверхность, строятся на координатном треугольнике і juku, координаты узлов которого задаются относительно системы координат XqYqZq ДвТаЛИ.
5. Системы координат XsmYsmZsm на поверхностных треуголь никах строятся таким образом, чтобы ось Zsm была направ лена вне детали и система координат XsmYsmZsm была пра вой, для чего необходимо осуществлять обход по узлам is. jsks против часовой стрелки.
1. Разработанная блок-схема алгоритма позволяет при автоматизированном проектировании получить оценку погрешности закрепления с учетом комплексного взаимодействия деталей и узлов технологической оснастки.
2. Результаты расчета показали, что взаимное влияние взаимодействия деталей в оснастке существенно влияет на погрешность закрепления.
3. При взаимодействии нажимной планки с деталью вследствие отклонений форм и положений стыкуемых поверхностей происходит существенное перераспределение усилий закрепления и как следствие этого приводит к неопределенности базирования.
4. Анализ контактного взаимодействия нажимного механизма с деталью показал, что в зависимости от отклонений форм стыкуемых поверхностей направления усилия зажима и координаты точки приложения существенно отличаются от теоретического.
