Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования 9
1.1 Проблема обеспечения эффективности технологических процессов изготовления крупногабаритных изделий с поверхностями сложной формы 9
1.2 Многокоординатное фрезерование как технологический процесс формообразования поверхностей двоякой кривизны 25
1.3 Технологическое обеспечение процесса механической обработки древесины. Особенности многокоординатного фрезерования древесины как анизотропного материала 31
1.4 Процесс резания как основной источник динамической нестационарности процесса многокоординатного фрезерования 41
1.5. Методы снижения вибраций в технологической системе СПИД... 47
Цель и задачи исследования 50
2. Научное обоснование и разработка математической модели процесса многокоординатного фрезерования анизотропных материалов .. 53
2.1 Теоретические основы математического описания кинематики формообразования поверхностей сложной формы 54
2.1.1 Описание производящей поверхности инструмента и номинальной поверхности детали 54
2.1.2 Кинематические схемы метода построчного огибания для формообразования поверхностей двоякой кривизны 61
2.2 Анализ причинно-следственных связей технологических факторов и показателей процесса многокоордииагного фрезерования поверхностей двоякой кривизны 64
2.3 Математическая модель процесса резания при многокоординатном фрезеровании поверхностей сложной формы заготовок из древесины 67
2.3.1 Пространственно-геометрическая модель дереворежущего фрезерного инструмента для обработки поверхностей двоякой кривизны 67
2.3.2 Расчетная модель кинематики резания при много координатном фрезеровании поверхностей сложной формы 74
2.3.3 Принципиальная модель составляющих сил резания при многокоординатном фрезеровании анизотропных материалов 82
2.4 Динамическая модель технологической системы СПИД при многокоординатном фрезеровании 87
2.5. Комплексные алгоритмы вычислительных процедур расчета составляющих сил резания и уровня вибраций элементов технологической системы СПИД при многокоординатном фрезеровании поверхностей двоякой кривизны заготовок из анизотропных материалов
3. Научное обоснование и разработка методики экспериментальных исследований 106
3.1 Экспериментальная установка для исследования вибраций и параметров шероховатости обрабатываемой поверхности заготовок из древесины 107
3.2 Методика проведения и обработки результатов экспериментальных исследований 116
3.2.1 Обоснование выбора индентифицирующих динамических показателей процесса фрезерования и методика цифровой обработки сигнала для их определения 116
3.2.2 Методика и результаты экспериментальной оценки информативности экспериментальных данных в процессе резания 120
3.3 Многофакторный план экспериментальных исследований и методическая сетка опытов 123
3.4 Методика проведения вычислительных экспериментов на математической модели миогокоординатного фрезерования 131
3.5 Методика обработки результатов экспериментальных исследований и оценки адекватности математической модели миогокоординатного фрезерования 148
4. Результаты экспериментальных исследований 149
4.1 Взаимосвязь режимов резания и динамических показателей процесса фрезерования и показателей качества обработанной поверхности 150
4.2 Динамические показатели процесса фрезерования в связи с изменением конструктивно-геометрических параметров фрезерного инструмента 156
4.3 Влияние анизотропии физико-механических характеристик древесины на динамические показатели процесса фрезерования и качество обработанной поверхности 165
4.4 Результаты вычислительных экспериментов на математической модели 169
5. Математическая модель многокоординатного фрезерования формообразующих поверхностей двоякой кривизны литейных моделей гребных винтов 190
5.1 Методология сквозного конструкторско-технологического проектирования как основа унификации проектных решений при разработке технологии изготовления моделей гребных винтов
5.2 Выбор режимов резания и инструментального обеспечения операции многокоординатного фрезерования поверхностей двоякой кривизны деревянных моделей гребных винтов на основе анализа уровня вибраций элементов технологической системы СПИД 204
6. Практическое применение математической модели процесса многокоординатного фрезерования при проектировании фрезерного инструмента и технологических режимов фрезерования поверхностей сложной формы
Заключение 256
Литература 260
- Процесс резания как основной источник динамической нестационарности процесса многокоординатного фрезерования
- Кинематические схемы метода построчного огибания для формообразования поверхностей двоякой кривизны
- Обоснование выбора индентифицирующих динамических показателей процесса фрезерования и методика цифровой обработки сигнала для их определения
- Динамические показатели процесса фрезерования в связи с изменением конструктивно-геометрических параметров фрезерного инструмента
Введение к работе
Актуальность работы. Современное производство сложнопрофильных изделий в специальном машиностроении характеризуется повышенными требованиями к точности форм и размеров рабочих поверхностей деталей и узлов машин, работающих в аэро-, гидро- или газодинамческих средах и обладающих значительными размерно-массовыми характеристиками. Это в полной мере относится к корабельным гребным винтам, являющихся основными движителями современных подводных и надводных судов и представляющих собой сложные крупногабаритные конструкции (до 12 м в диаметре) с рабочими поверхностями двоякой кривизны. Повышенные требования к точности изготовления и обработки таких изделий вызывают необходимость совершенствования технологий на всех этапах изготовления, начиная с получения литых заготовок с минимальными припусками и отклонениями формы поверхностей от формы номинальных поверхностей гребного винта. Точность изготовления литой заготовки для изделий с поверхностями сложной формы (ПСФ) при этом определяется качеством применяемой модельной оснастки, основой которой является литейная модель, изготавливаемая в абсолютном большинстве случаев для крупногабаритных изделий с ПСФ из древесины и древесно-композитных материалов.
Литейные модели сложнопрофильных изделий представляют собой сложные конструкции и имеют ПСФ, эквидистантно повторяющие поверхности готовых изделий. Технология формирования поверхностей двоякой кривизны у литейных моделей из материалов на основе древесины является серьезной научно-технической проблемой, связанной с необходимостью решения задач выбора рациональных режимов обработки, инструментального обеспечения, технологических баз, равномерного распределения минимального припуска на механически обрабатываемой ПСФ. Решение рассматриваемой проблемы следует проводить на стадии технологического проектирования операции механической ПСФ, которая практически может быть осуществлена методом многокоординатного фрезерования. При этом наиболее эффективным является применение принципа, основанного на совмещении подобия операции многокоординатного фрезерования ПСФ первоначально на литейных моделях, а затем на самих изделиях при сохранении единства технологических баз, позволяющим уменьшить наследуемые погрешности формы и размеров, материалоемкость и ресурсообеспечение технологического процесса. Однако процесс формирования ПСФ литейных моделей из материалов с анизотропией физико-механических свойств достаточно сложен и принципиально отличается от применяемых технологий обработки в машиностроении. Комплексность и многоплановость рассматриваемой проблемы вызывает необходимость проведения специальных исследований в этом направлении и обуславливает актуальность работы, которая эффективно может быть выполнена с применением методов математического моделирования процесса многокоординатного фрезерования ПСФ.
Цель и задачи работы. Целью работы является повышение эффективности технологического обеспечения формообразующей обработки ПСФ литейных моделей из древесины и древесно-композитных материалов на основе разработки и исследования математической модели процесса многокоординатного фрезерования поверхностей двоякой кривизны литейных заготовок из анизотропных материалов на основе древесины.
Задачи исследования:
1. Проанализировать и установить причинно-следственные связи технологических факторов и показателей процесса многокоординатного фрезерования поверхностей двоякой кривизны ортотропных материалов.
2. Теоретически проанализировать процесс кинематики формообразования открытых ПСФ на основе математического представления номинальной обрабатываемой поверхности и производящей поверхности фрезерного дереворежущего инструмента.
3. Разработать пространственно-геометрическую модель дереворежущего инструмента для многокоординатной обработки поверхностей двоякой кривизны.
4. Разработать расчетную модель кинематики резания при формообразовании открытых поверхностей двоякой кривизны методом построчного двухпараметрического огибания.
5. Научно обосновать и разработать концептуальную расчетную модель составляющих сил резания при многокоординатном фрезеровании анизотропных материалов.
6. Разработать динамическую модель технологической системы, воспроизводящую процесс многокоординатной обработки ПСФ заготовок из древесно-композитных материалов в частотно-временном пространстве.
7. Создать алгоритмическое, программное и методическое обеспечение расчетных методик, как программную реализацию математической модели процесса многокоординатного фрезерования поверхностей двоякой кривизны заготовок из древесины и древесно-композитных материалов.
8. Провести экспериментальные исследования процесса фрезерования древесины в установленном аналитически факторном пространстве, разработать методику проведения многофакторного эксперимента, обосновать выбор технологических и инструментальных средств их обеспечения.
9. Провести ранжирование основных технологических факторов процесса фрезерования древесины и установить закономерность их влияние на качество обработанной поверхности и динамические характеристики процесса.
10. Представить математическую модель процесса многокоординатного фрезерования поверхностей двоякой кривизны литейных моделей из древесно-композиционных материалов, разработать рекомендации по управлению технологическими режимами фрезерования ПСФ, выбору рациональных схем формообразования и срезания припуска. Провести производственную апробацию научно-обоснованных рекомендаций на операции многокоординатного фрезерования поверхностей двоякой кривизны литейных моделей заготовок для корабельных гребных винтов.
12. Провести производственно-технологическую проверку математической модели процесса многокоординатного фрезерования поверхностей двоякой кривизны заготовок из древесины и древесно-композитных материалов при разработке конструкций дереворежущего инструмента и технологических режимов фрезерования.
Методы исследования. Теоретические исследования выполнены на основе теорий векторного анализа, дифференциальной геометрии, теоретической механики, кинематики формообразования поверхностей, технологии процессов механической обработки конструкционных материалов, динамики станков. В экспериментальных исследованиях применен метод планирования эксперимента, математико-статистические методы обработки экспериментальных данных. Виброакустические эксперименты, регистрация и анализ результатов проведены с помощью цифровой виброизмерительной аппаратуры на созданной для проведения исследований экспериментальной установке.
Научная новизна
1. Научно обоснована и разработана комплексная математическая модель процесса многокоординатного фрезерования поверхностей двоякой кривизны литейных моделей из анизотропных материалов, позволяющая количественно оценивать уровень сил и вибраций элементов технологической системы в частотно-временном пространстве в зависимости от совокупности технологических факторов, определяющих условия резания.
2. Выявлена устойчивая корреляции между уровнем вибраций при фрезеровании древесины и шероховатостью обработанной поверхности.
3. Установлены закономерности влияния анизотропии физико-механических свойств различных пород древесины, режимов резания, конструктивно-геометрических параметров дереворежущих фрез на уровень вибраций при обработке и качество обработанной поверхности заготовок из древесины.
4. Разработана методика управления режимами фрезерования при многокоординатной обработке сложных поверхностей литейных моделей корабельных гребных винтов.
Практическая значимость. Методическое и программное обеспечение системы расчета и анализа составляющих сил резания и вибраций при многокоординатном фрезеровании поверхностей двоякой кривизны заготовок из анизотропных материалов, конструкции фрезерного инструмента используются на предприятиях деревообрабатывающего и машиностроительного комплекса предприятий Северного центра судостроения и судоремонта. Результаты исследований, методики расчета и управления технологическими режимами фрезерования, разработанные конструкции инструмента нашли практическое применение на предприятиях, ОАО “Томский инструмент”, ОАО “Белфрез”, ОАО "НОРДМЕКС". Разработано программное обеспечение, позволяющее обеспечивать принцип единообразия технологий для обработки ПСФ литейных моделей и литых заготовок при постоянстве технологических баз. Технические решения на конструкции фрез защищены патентом на изобретение.
Апробация работы. Основные результаты работы доложены на научно-технических конференциях и семинарах Севмашвтуза (филиала СПбГМТУ), Архангельского государственного технического университета, Московского государственного технического университета им. Н.Э.Баумана, Московского государственного технологического университета «Станкин», Российского университета дружбы народов, Северного (Арктического) Федерального Университета. Работа поддержана грантами Минобразования РФ "Разработка научных основ и экспериментальных неразрушающих экспресс-методов оценки качества сборного инструмента" (рег. № 97-24-9,5-520), "Разработка методики сквозного проектирования режущего инструмента с использованием средств CAD/CAM/CAE" (рег. № ТО2-06.6-366), грантом администрации Архангельской области "Разработка конструкций, технологии производства многолезвийного деревообрабатывающего сложнопрофильного инструмента для лесопромышленного комплекса» (рег. № Х-080-99).
Публикации. Основное содержание диссертации отражено в 53 печатных работах, в т.ч. в 9 изданиях по перечню ВАК, в патенте на изобретение.
Объем работы. Диссертация состоит из введения, 6 глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Работа изложена на 297 страницах текста и содержит 106 рисунков, 31 таблицу, список литературы из 324 наименований.
Процесс резания как основной источник динамической нестационарности процесса многокоординатного фрезерования
Такие погрешности могут быть частично компенсированы за счет различных дополнительных технологических операций, но полностью уст- » ранены быть не могут. При этом основным методом механической обработки пространственно-сложных рабочих поверхностей крупногабаритных изделий является метод мпогокоординатного фрезерования, выполняемый на обрабатывающих центрах с числовым программным управлением. Этап многокоординатного фрезерования при формообразовании рабочих поверхностей гребного винта имеет циклическую структуру: предварительное фрезерование нагнетательной стороны - предварительное фрезерование засасывающей - окончательное фрезерование нагнетательной поверхности -окончательное фрезерование засасывающей поверхности. Реализация этого цикла гарантирует удовлетворительное качество и точность поверхностей. Однако, в производственных условиях в целях снижения времени обработки этот цикл часто нарушается: операций предварительного и окончательного фрезерований с нагнетательной и засасывающих сторон лопасти объединяют и исключают промежуточный контроль. Это приводит к снижению точности винта, не уменьшает объема ручных доводочных операций и требует высокой точности литой заготовки.
В мировой практике производства гребных винтов существуют два принципиальных подхода к разработке технологии изготовления. На зарубежных фирмах-производителях гребных винтов (Lips (Голландия) и Stone Monganese Marine (Англия)) для получения высокоточных заготовок используются методы высокоточного литья с минимальным и равномерно расположенным по всем поверхностям припуском. Процесс механической обработки сводится к доводке поверхностей методом ручного шлифования, ориентированного на использование квалифицированного ручного труда причем, как в литейном производстве для изготовления литейных моделей, так и в механообрабатывающем. В основном это касается изделий малых диаметров, выпускаемых серийно. При изготовлении гребных винтов в отечественном судостроении реализуется различные технологии производства, в первую очередь это связано с серийностью и габаритами изделия. Там, где имеются достаточно большие серии, главным образом при изготовлении сравнительно небольших, диаметром до 1 м, гребных винтов и лопастей, ис пользуются методы точного литья в керамические формы, которые требуют точных моделей для этих форм. В мелкосерийном и индивидуальном про-изводстве крупногабаритных заготовок используют литье в глиняно-песчаные формы [191, 269, 270], для изготовления которых используют модельную оснастку из древесины и древесно-композитных материалов.
Существенным резервом, позволяющим повысить точность изделий с поверхностями сложной формы (ПСФ), является путь, обеспечивающий повышение качества литой заготовки в направлении обеспечения ее точности, то есть степени приближения ее формы и размеров к соответствующим параметрам теоретической детали. Целесообразно делать это на этапе изготовления литейных моделей от точности размеров которых зависит точ- t ность литейной формы.
Точность формы и размеров поверхностей отливки формируется на всех стадиях ее изготовления: - этапа изготовления модельной оснастки; - этапа изготовления полуформ и стержней; - этапа сборки формы; - этана взаимодействия отливки и формы в момент заливки и до момента выбивки; - этапа финишных операций (очистка, обрубка) и термической обра- ч ботки. Модельная оснастка служит для формирования внутренних и внешних поверхностей отливки. От точности ее изготовления во многом зависит точность отливки [25, ПО, 270, 271]. Этап изготовления литейных моделей является базовым этапом технологии изготовления отливки, поскольку он является первоначальным. Именно на этом этапе «закладывается» степень приближения формы и размеров отливки к номинальным размерам детали. Точность изготовления моделыю-стержневой оснастки определяется в со ч ответствии с ГОСТ 3212-92. Литейные модели крупногабаритных изделий с ПСФ для глиняно-песчаных форм в условиях единичного и мелкосерийного производства, изготавливаются из древесины и древесно-композитных материалов. Деревообрабатывающее модельное производство является специфическим типом производства. В одном цехе сосредоточены основные этапы жизненного цикла комплекта: конструкторско-технологические разработки — изготовление - храпение - ремонт - утилизация. Являясь сложными многоэле- ментными конструкциями литейные модели из древесины проходят сложный технологический процесс изготовления, связанный с подготовкой пиломатериалов, раскроем, формированием композитных заготовок, их сборкой, механической обработкой поверхностей, нанесением покрытий. На рисунке 1.7 представлена обобщенная декомпозиционная модель технологического процесса (ТП) изготовления литейных моделей. Основанием для декомпозиции ТП на отдельные стадии послужила организационная структура модельного деревообрабатывающего цеха, основанная на специализа-ции технологического оборудования по участкам с учетом поточного принципа движения сырья и материалов при превращении их в готовое изделие.
Литейные модели представляют собой сложные многоэлементные конструкции, собираемые их композитных заготовок, разной формы и размеров (рис. 1.8). Количество таких заготовок в зависимости от сложной отливки и ее размеров может достигать нескольких десятков. Единой унификации конструктивно-размерных характеристик древесно-композитных заготовок не существует. Литейные модели для изделий с пространственно-сложными поверхностями имеют ПСФ, эквидистантно повторяющие поверхности готовых изделий. Требования к точности размеров литейных моделей составляют не более 5% от номинальных размеров готового изделия.
Кинематические схемы метода построчного огибания для формообразования поверхностей двоякой кривизны
Основным технологическим методом формообразования поверхностей двоякой кривизны является многокоординатное фрезерование [113,121,122,123], выполняемое на станках с числовым программным управлением. Под номинальной поверхностью сложной формы будем понимать теоретическую поверхность изделия с ПСФ без микронеровностей и других отклонений, для которой задано ее полное геометрическое описание.
При формообразовании поверхностей методами механической обработки режущий инструмент выполняет две функции [150, 305]: придает по- v верхности требуемую форму и своими режущими кромками срезает с нее припуск. Обе функции взаимосвязаны и взаимозависимы, но часто находятся противоречии: рациональная схема формообразования номинальной поверхности детали может не соответствовать рациональной схеме срезания припуска. Поэтому разработку математической модели многокоординатного фрезерования поверхностей сложной формы будем проводить, рассматривая обе эти функции во взаимосвязи.
Процесс кинематики формообразования поверхности исследуется для выявления цикла движения функционального назначения режущего инстру- мента относительной детали. При этом исследуются возможные кинематические схемы, позволяющие выполнить формообразование наиболее рациональным способом.
Исследование процесса кинематики срезания припуска является основой для определения физических характеристик процесса резания: силовых, деформационных, температурных полей, возникающих в процессе обработки.
Процесс формообразования ПСФ это процесс взаимодействия двух сопряженных (касательных) поверхностей — номинальной поверхности детали и производящей поверхности инструмента [150]. Для исследования процесса формообразования деталей, ограниченных поверхностями сложной формы, необходима полная информация о геометрической форме формообразуемой поверхности (ПСФ) детали и формообразующей исходной инструментальной поверхности (ИП). Существует два способа задания ПСФ [121-123, 89,90], используемых при конструировании изделий: - методы непрерывного (функционального) задания ПСФ; - методы дискретного задания. Методы первого типа применяются к большому числу деталей общего машиностроения ограниченных относительно простыми поверхностями, информация о форме и параметрах которых определяется однозначно и закладывается при конструировании в чертежах. Характерные сечения таких деталей, как правило, состоят из отрезков прямых линий и дуг окружностей, имеют аналитическое описание в виде систем уравнений.
При конструировании изделий с поверхностями аэро-, гидро- или газодинамической формы ограничивающие их поверхности сложной формы не имеют полного непрерывного аналитического описания, поэтому описываются не функционально, а дискретно - совокупностью точек и линий, при- у надлежащих ПСФ. Наиболее распространенным является графический метод батоксов и горизонталей [122]. Этот метод заключается в построении параллельных (концентричных) сечений ПСФ. Таким образом, сложные поверхности задают сеткой определенным образом расположенных линий на ПСФ. Дискретные методы задания определяют ПСФ с некоторой степенью неопределенности: точность задания поверхности в документации определяется плотностью задающих элементов. Так, при задании нагнетательной и засасывающей поверхностей судовых гребных винтов количество сечений обычно составляет от 6 до 15.
Все методы и алгоритмы приведения дискретно-заданных ПСФ к аналитическому непрерывному виду сводятся к аппроксимации, позволяющим подобрать математическое описание геометрической формы поверхности в целом или локально по частям с решением вопроса о стыке смежных отсеков. С использованием современных средств и систем САПР и технологий трехмерного геометрического моделирования задача приведения дискретно-заданных поверхностей к непрерывному виду решается методами сплайн-аппроксимации с необходимой степенью точности и гладкости поверхности. Так, с участием автора, были разработаны алгоритмы воспроизведения трехмерной сплайн-аппроксимации геометрии корабельных гребных винтов, позволяющие перейти от точечно-дискретного описания номинальных поверхностей изделий к непрерывно-функциональному с использованием САПР UG Unigraphic [140,147].
Таким образом, независимо от способа конструктивного задания ПСФ в технической документации, поверхность приводится к непрерывному функциональному математическому описанию, в основе которого лежит век-торно-параметрическое ее представление. Векторно-параметрическое описание поверхностей инвариантно к выбору системы координат, поэтому является универсальным методом математического описания ПСФ при решении вопросов формообразования.
Согласно векторно-параметрическому представлению любая номинальная поверхность характеризуется двумя скалярными параметрами Ud и Vd (рис.2.1), называемыми криволинейными (гауссовыми) координатами.
Обоснование выбора индентифицирующих динамических показателей процесса фрезерования и методика цифровой обработки сигнала для их определения
Силы сопротивления или демпфирования с известным приближением для зоны малых амплитуд принимают пропорциональными скорости перемещения с коэффициентом пропорциональности Л, называемом коэффициентом демпфирования, т.е. работу сил трения в системе заменяют эквивалентным вязким демпфированием. Вопрос об оценке сил сопротивления, которые действуют в ТС при обработке является сложным, поскольку полноценных расчетных оценок коэффициентов поглощения для технического объекта, участвующего в вибрационном процессе, не существует.
Для механической колебательной системы, как извест- ч но, доминирующими являются два принципиально различных вида демпфирования. Внутреннее (собственное) демпфирование, обусловленное свойствами материала, из которого изготовлены элементы системы и конструкционное, обусловленное прежде всего способами соединения этих элементов. Второй вид демпфирования, - конструкционное, - является определяющим в процессе рассеивания энергии при колебаниях ТС. По свидетельству ряда литературных источников, именно демпфирование в стыках является основной причиной большой диссипации энергии при колебаниях. Демпфирующие свойства стыков элементов ТС зависят от множества факторов. Для технологических систем, замыкаемых зоной резания наличие своеобразного стыка "инструмент - заготовка" коэффициенты демпфирования, по всей видимости, будут также зависеть от характеристик обрабатываемого материала, площади контакта рабочих поверхностей инструмента и заготовки. Логарифмический декремент колебания определялся опытным путем на фрезе без резания по записанным затухающим собственным колебаниям (рис. 3.11) по формуле : где А, и Ai+i соседние амплитуды колебаний.
Было проведено 10- -12 дублей записи собственных затухающих колебаний системы фрезы, закрепленной в шпинделе станка. Для каждого дубля выбирались 3-5 следующих друг за другом значений амплитуд колебаний. По результатам дублей определялся усредненный логарифмический декремент б0. Обобщенный коэффициент сопротивления определялся по формуле: m - приведенная масса системы инструмента, Тк - период собственных колебаний на низщей собственной частоте. Результаты расчета приведенных коэффициентов демфирования следующие: Вычислительные эксперименты на математической модели выполнялись по планам экспериментов, представленных в п.3.2 с использование экспериментально определенных характеристик элементов ТС. Силовые параметры процесса резания являются важнейшими показателями, позволяющими оценивать эффективность операции, от уровня сил сопротивления резанию зависят точность обработанной поверхности, ее качество, стойкость инструмента. Многие исследователи при изучении механики резания давали оценку сил резания, возникающих при обработке. Подход при этом был различным. Для расчета сил резания в теории механической обработки древесины используются следующие подходы: - расчетные методы используют математические аналитические модели, основанные на механике резания (А.Л. Бершадский); - расчет по эмпирическим степенным формулам, которые могут применяться только в ограниченном диапазоне параметров и как правило существуют для отдельных наиболее распространенных видов механической обработки древесины; - расчет по таблицам, являющихся одним их наиболее простых методов и заключающийся в определении единичной касательной силы резания, экспериментальной найденной при «табличном» режиме резания. - расчет по уравнениям регрессии; По данным авторов работ [ 65,66] , которые провели сравнительные оценки точности методов определения силы резания погрешность расчетов не превышала 10% от среднего значения. Рассматриваемые в работе виды фрезерования, используемые при многокоординатной обработке - фрезерование торцовыми и концевыми фрезами, относятся к переходным видам резания. По отношению к волокнам древесины относительно плоскости резания различают три главных и три переходных вида резания. Главные виды, определенные для элементарного резания: - торцовое резание - резание, при котором вектор скорости резания и плоскость резания перпендикулярны направлению волокон; - продольное резание - резание, при котором вектор скорости резания и плоскость резания параллельны направлению волокон; - поперечное резание - резание, при котором вектор скорости резания перпендикулярен, а плоскость резания параллельна направлению волокон. При фрезеровании вместо плоскости резания вводится понятие поверхности резания, которая в первом приближении совпадает с ИП фрезы. Поэтому для определения вида резания можно использовать плоскости, ка- 4 сательные к поверхности резания, положение которых изменяется при движении резца фрезы при контакте его с заготовкой. В связи с тем, что в работе принята ортотропность свойств древесины как обрабатываемого материала, в дальнейшем при исследовании процесса будем использовать следующие понятия: - продольное фрезерование - фрезерование, при котором направление подачи совпадает с направлением волокон; - поперечное фрезерование - фрезерование, при котором направление подачи перпендикулярно направлению волокон; - торцовое фрезерование - фрезерование, при котором, направление подачи перпендикулярно направлению волокон и плоскости резания параллельны им. Эти виды фрезерования относятся к переходным видам элементарного резания, при которых при движении резца по дуге контакта фрезы и заготовки происходит изменение его вида: - при продольном фрезеровании на полный диаметр - продольное резание переходит в продольно-торцовое, затем в торцовое, торцово-продольное, продольное; - при поперечном фрезеровании - торцовое резание переходит в торцово-продольное, продольное, продольно-торцовое, торцовое. - при торцовом фрезеровании ортотропных материалов резание является поперечным. При многокоординатной обработке фрезерование является комбинированным, при котором преобладание того или иного вида зависит от направления траектории подачи инструмента по отношению к волокнам древесины. Для определения значения текущих удельных сил резания необходимо знать ,
Динамические показатели процесса фрезерования в связи с изменением конструктивно-геометрических параметров фрезерного инструмента
Процесс конструкгорско-іехнологического проектирования и изготовления корабельных гребных винтов - это комплекс задач, наиболее эффективно решать которые можно в рамках единого информационного подхода к созданию электронных конструкторских и технологических моделей изделия, охватывающего основные стадии проектирования и изготовления.
При выполнении ряда научно-исследовательских работ, проводимых совместно со специалистами специализированного винтообрабатывающего производства ОАО «ЦС «Звездочка» были разработаны и реализованы методики сквозного конструкторско-технологического проектирования номинальной геометрии гребных винтов и деревянной модельной оснастки, используемой для получения отливок. При формообразовании нагнетательных и засасывающих поверхностей двоякой кривизны деревянных литейных моделей и отливок использовалась общая технологическая среда, предполагающая применение единого технологического оборудования, способа базирования заготовок (как для моделей, так и для отливок) на станке и единых 4 управляющих программ для воспроизведения траектории движения инструмента при формообразовании поверхности. Использование единой технологической среды при формировании сложных профильных поверхностей приблизить форму литой заготовки винта к номинальной геометрии изделия и стабилизировать припуск на механическую обработку в пределах обрабатываемой ПСФ.
На рисунке 5.1 представлен обобщенный алгоритм конструкторско-технологического проектирования рассматриваемых изделий, использованный для определения рациональных условий операции многокоординатного фрезерования поверхностей двоякой кривизны сложно-профильных литейных моделей из древесно-композитных материалов, используемых при изготовлении отливок гребных винтов. Дадим краткое пояснение основных этапов приведенного алгоритма. Исходная информация для проектирования технологий изготовления гребных винтов содержится в рабочем теоретическом чертеже винта, который представляет собой совокупность сечений лопасти винта коаксиальными цилиндрами (рис.5.2). По рабочему чертежу воссоздается виртуальная геометрическая 3-D модель винта с использованием средств САПР Unigraphics NX. Полный алгоритм создания номинальной геометрии винта подробно описан в работах [142]. Укрупненная методика воссозданий трехмерной геометрии гребного винта состоит из следующих этапов:
1. Ввод чертежных координат точек цилиндрических сечений и построение по точкам в каждом сечении двух NURBS-сплайнов — засасывающей и нагнетательной поверхностей. 2. Определение координат точек дополнительного корневого сечения методами линейной интерполяции геометрических характеристик близ лежащих сечений и его построение. 3. Построение входящей и выходящей кромок у каждого сечения, которыми являются дуги заданного радиуса между концами сплайнов засасывающей и нагнетательной стороны. 4. Построение плоскостей сечений и коаксиальных цилиндров, касательных плоскостям сечений и «наворачивание» сечений на поверхность цилиндров. 5. Построение сплайнов, определяющих контур лопасти: двух по входящей кромке и двух по выходящей кромке и натягивание на построенный каркас нагнетательной и засасывающей поверхностей. 6. Анализ кривизны поверхностей по бликам. 7. Построение ступицы лопасти. «Сшивание» поверхностей пера лопасти. 8. Построение галтели - плавного перехода между пером и ступицей 9. Копирование пера лопасти и галтели, в зависимости от числа лопастей. Описанная выше укрупненная методика воссоздания геометрии винтов с теоретических чертежей используется в настоящее время при конструктор-ско-технологической подготовке их производства на винтообрабатывающем производстве ОАО «ЦС «Звездочка». Проектирование деревянной модельной оснастки осуществляется непосредственно с помощью трехмерной номинальной геометрии гребного винта с учетом литейных припусков на последующую механическую обработку изделия и усадки материала винта. Основу деревянного модельного комплекта отливок лопасти гребного винта, составляют литейные модели полуформ для нагнетательной и засасывающей поверхностей винта. Допуски и припуски на механическую обработку при этом подбирают в соответствии с ТОСТ 26645-85 в зависимости от класса точности винта. Предельные отклонения на размеры моделей из древесины и древесно-композитных материалов обычно соответствуют 2-3 классу точности изготовления моделей. Литейные модели отливок гребных винтов собой сложную конструкцию, состоящую из относительно простых частей-заготовок - призматических, в виде тел вращения и др. Модельные заготовки могут быть сгаюшны- ( ми и полыми, получаемыми за счет сплачивания, склеивания и вязки отдельных частей разными способами. Поэтому после создания виртуальной 3-D модели полуформы подбиралется конструкция литейной модели с учетом припусков на последующую механическую обработку. На рисунке 5.3 приведена последовательность проектирования литейных моделей полуформ.
