Другие журналы

научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана

НАУКА и ОБРАЗОВАНИЕ

Издатель ФГБОУ ВПО "МГТУ им. Н.Э. Баумана". Эл № ФС 77 - 48211.  ISSN 1994-0408

Фрезерование поверхностей крупногабаритных гребных винтов на основе автоматизированного управления режимами резания

#12 декабрь 2006

 

УДК 621.12.037

 

Рохин Олег Викторович

 

Основные принципы автоматизированного процесса подготовки производства гребного винта были сформулированы в середине 70-х годов двадцатого столетия. В 80-е годы исследователи работали над автоматизацией математического представления поверхностей гребного винта и автоматизацией программирования процессов обработки гребных винтов на станках с ЧПУ. Однако решение оптимизационных задач по минимизации полного станочного времени было связано с большими трудностями. Одной из основных причин этого является отсутствие объективной картины по величине припуска и глубине резания, так как операция первичной разметки заготовки и «вписывания» в нее детали выполнялись примерно.

В настоящее время при решении задач по фрезерованию фасонных деталей используются CAD/CAM высшего уровня для многокоординатных специализированных станков, а в операциях контроля геометрии сложных поверхностей все больше применяется информационный массив «облако точек», получаемый за счет применения автоматизированной координатно-измерительной машины (КИМ). Это позволяет создать виртуальные геометрические модели, размерные параметры первой модели могут быть заданы конструктором детали, а второй, определяются сканированием поверхностей физического объекта с помощью КИМ. Сравнение геометрии этих двух моделей позволяет выявить размерные отклонения, а с позиций процесса мехобработки, сравнение позволяет заново подойти к решению задачи оптимального «вписывания» в заготовку, предсказать припуск и глубину фрезерования при обработке фасонных деталей со сложной поверхностью. Кроме этого становится возможным реализация адаптивного фрезерования, когда изменение глубины резания сопровождается изменением подачи и скорости инструмента с целью минимизации станочного времени. Для реализации такого подхода остается решить следующие задачи:

- разработать методику создания конструкторской модели на основе современного развития САПР;

- разработать методику автоматизированного рационального распределения припусков заготовки и управления глубиной резания, за счет оптимального «вписывания» конструкторской модели в оцифрованную измеряемую модель заготовки на базе средств автоматизированной КИМ и алгоритмов программного обеспечения для контроля форм и размеров;

- разработать теоретические положения и методику по корректировке режимов резания (подачи и скорости инструмента) в зависимости от изменения глубины резания при неравномерном припуске по критерию стабилизации силы резания и стойкости инструмента.

Для создания конструкторской модели выбран САD/CAM Uni­graphics. Методика создания геометрической модели гребных винтов основана на представлении винта в виде ассоциативной сборки семейства цилиндрических сечений, что позволяет редактировать параметры сечений винта в электронной таблице Excel файла-шаблона этого семейства, который заранее разработан для серии винтов, геометрия сечений которых задается одинаковым количеством точек. Файл-шаблон семейства содержит следующие параметры: R - радиус сечения; H - шаг сечения; B - ширина сечения; B2 - абсцисса максимальной толщины сечения; X - абсцисса выхода сечения; Z - количество лопастей; T - расстояние вдоль оси винта от оси лопасти до торца ступицы с нагнетательной стороны; N - расстояние вдоль оси винта от оси лопасти до начала собственной системы координат сечения; E1_025……E1_05 - ординаты точек сечения с нагнетательной стороны; E2_025……E2_05 - ординаты точек сечения с засасывающей стороны; R0 - дополнительное корневое сечение; R1, R2,……………RN  - имена файлов (*.prt) семейства сечений.

Все параметры связаны с геометрией файла-шаблона, и, следовательно, с геометрией семейства сечений. Элементами этой геометрии являются: цилиндр с радиусом сечения R; эскиз развернутого плоского параметризированного сечения, в плоскости касательной к цилиндру, повернутый на шаговый угол вокруг оси лопасти и смещенный на величину N вдоль оси винта; навернутые на цилиндр сплайны плоского сечения (диаметральные сечения).

В головной файл сборки модели винта добавляют только диаметральные сечения, что позволяет не загромождать его всеми элементами, присутствующими в файлах семейства.

Использование модуля Wave создания ассоциативных связей между файлами позволяет построить поверхности пера лопасти на базе сплайнов диаметральных сечений, сшить и связать их со ступицей. В последнюю очередь строится галтель.

Методика автоматизированного распределения припусков заготовки (рис.1) основана на алгоритме оптимального «вписывания» конструкторской модели в оцифрованную измеряемую полигональную модель заготовки.

Целевую функцию алгоритма, реализуемую в среде программы Imageware, которое специализируется на создании цифровых моделей для автомобильных поверхностей класса А, можно представить в следующем виде:

,

(11)

где max и min – максимальное и минимальное расстояние между облаками точек конструкторской и измеряемой модели. Программа в итерационном автоматизированном режиме рассчитывает перемещение облака точек конструкторской модели относительно облака точек измеряемой модели для выполнения целевой функции. Перемещение облака точек конструкторской модели происходит вместе с самой моделью. Поэтому результат расчета – вписывание конструкторской модели в облако точек измеряемой полигональной модели для которого характерно усредненное расстояние между облаком точек измеряемой и конструкторской модели. Следовательно, припуск заготовки также равномерно распределяется.

Рис. 1. Этапы автоматизированного распределения припусков заготовки и первичной разметки заготовки

Для оценки величин припуска и результата базирования конструкторской модели, в системе координат при котором произведено сканирование, используются цветные диаграммы расстояний между облаком точек измеряемой модели и поверхностями конструкторской модели. При необходимости выполняют дополнительное базирование с последующей оценкой величин припуска. После этого определяют координаты точек, задающих базы.

Чтобы получить значения величины припуска в точках управляющей программы, а не только в точках сканирования, программа выполняет расчет расстояний между точками управляющей программы и поверхностью полигональной измеряемой модели, которая создается в автоматическом режиме по облаку сканированных точек. Величина припуска является исходной величиной для определения глубины резания и числа проходов. В свою очередь, величина глубины резания в кадре управляющей программы является сигналом для корректировки подачи по критерию постоянства силы резания на всей траектории фрезерования, что позволяет рационально подойти к использованию мощности станка и машинного времени.

Однако известно, что наибольшее влияние на температуру резания q  оказывает скорость резания v, затем подача s и наименьшее – глубина резания t. В таком же порядке v, s и t влияют на период стойкости инструмента Т. Тогда, рост подачи, сопровождающийся уменьшением глубины фрезерования, не будет компенсировать полностью рост температуры резания, а, следовательно, уменьшения периода стойкости инструмента. Поэтому предложено использовать корректировку скорости резания по критерию сохранения стойкости инструмента.

Определим аналитические закономерности корректировки подачи и скорости в зависимости от глубины фрезерования. Средняя окружная сила резания Pz при торцовом фрезеровании:

Pz = 10 Cp szYp tXpBn zKMp/Dqnw,

(1)

где Cp, yp, и xp, KMp зависят главным образом от рода обрабатываемого материала и его механических свойств в соответствии с таблицей 1; В – ширина фрезерования, мм; t – глубина резания, мм; sz – подача на зуб, мм/зуб; z – число зубьев фрезы; n – частота вращения фрезы, об/мин; D – диаметр фрезы, мм.

Таблица 1 - Коэффициенты и показатели степени в формулах стойкости и силы резания

Обрабатываемый материал

kMv

kMp

xv

yv

xp

yp

08Х14НДЛ ОСТ5Р.9048-96

0,7

0,9

0,31

0,32

0,92

0,75

08Х15Н4ДМЛ ОСТ5Р.9048-96

0,7

1

0,2

0,35

0,92

0,78

БрА9Ж4Н4

ТУ5.961-11215-82

0,85

0,75

0,17

0,1

0,9

0,75

25Л ГОСТ977-78

0,7

0,7

0,1

0,4

0,9

0,7

По критерию постоянства сил резания справедливо уравнение:

10 Cp szYp tXpBn zKMp/Dq nw= 10 Cp (sz+dsz)Yp (t-dt)XpBn zKMp/Dqnwnw.

(2)

Выполнив преобразования, получим:

.

(3)

Значение ς= - относительная подача на зуб, а τ= относительная глубина резания. Тогда зависимость относительной подачи от относительной глубины резания принимает вид:

ςτ -Xp/Yp.

(4)

Используя рекомендации типового технологического процесса находят минимальную подачу Szmin, которой соответствует максимальное значение глубины фрезерования.

Тогда по формуле:

sz = ς szmin

(5)

можно определить значение подачи на зуб в любом кадре УП в зависимости от относительной подачи на зуб.

Подставив формулу (4) в формулу (5) получаем значение sz от относительной глубины резания:

sz = τ -Xp/Yp szmin.

(6)

 

На рисунке 2 показана зависимость подачи sz от глубины резания t.

Для кривых sz(t) характерно гиперболическое возрастание подачи при уменьшении глубины фрезерования. В рекомендуемом диапазоне подачи на зуб от 0,8 до 0,15 мм кривые разных материалов имеют незначительные отличия. Однако при больших подачах наиболее чувствительными к изменению глубины является сталь 25Л и 08Х14НДЛ. Менее чувствительны бронза БрА9Ж4Н4 и сталь 08Х15Н4ДМЛ. Причиной этого является значение отношения степенных показателей Xp/Yp. Этот показатель составляет: для стали 08Х15Н4ДМЛ  - 1,18; для бронзы БрА9Ж4Н4 - 1,2; для стали 08Х14НДЛ - 1,23; для стали 25Л - 1,28.

 

Рис. 2. Зависимость подачи на зуб sz от глубины резания t

Теперь определим аналитическую закономерность, связывающую изменение скорости с изменением глубины резания по критерию сохранения заданной стойкости фрезы.

Максимальная скорость резания vmax, соответствующая максимальной глубине резания и минимальной подаче рассчитывается по формуле:

vmax=CvDqKМv/TmtmaxXvszminYvBuzp,

(7)

где kMv, xv, yv   - приведены в таблице 1.

С учетом изменения глубины и подачи вдоль траектории движения инструмента скорость резания определяется:

v=CvDqKv/Tm (tmax τ) Xv (szmin  ς)YvBuzp.

(8)

или:

v=vmaxu ,.

(9)

где u – относительная скорость резания.

Приравняв формулу (8) с формулой (9), предварительно подставив выражение (7) вместо vmax  получим:

u=1/ τXvςYv,.

(10)

Тогда, с учетом (9), зависимость скорости от изменения глубины и подачи принимает вид:

v=vmax/ τXvςYv.

(11)

Подставив формулу (4) в формулу (11) получим функцию скорости от глубины резания при переменной подаче:

v=vmax τ (YvXp/Yp-Xv).

(12)

На рисунке 3 показан график зависимости скорости резания v при переменной подаче в зависимости от глубины резания t, построенный по функции (12), для торцового фрезерования материалов, используемых для изготовления гребных винтов. Кривые v(t) для сталей 08Х14НДЛ, 08Х15Н4ДМЛ и 25Л демонстрируют уменьшение скорости при уменьшении глубины, которое сопровождается ростом подачи. Наибольшее влияние на изменение скорости от изменения подачи и глубины оказывается для стали 25Л. Показатель степени в формуле (12) YvXp/Yp-Xv составляет: для 25Л – 0,414; для 08Х14НДЛ – 0,082; 08Х15Н4ДМЛ – 0,213. Для бронзы БрА9Ж4Н4 показатель степени имеет отрицательное значение -0,05. Поэтому для бронзы, кривая зависимости скорости от глубины показывает, что с уменьшением глубины скорость фрезерования, как и подача, возрастает.

Рис. 3. Зависимость скорости резания v от глубины резания t

По формулам (6), (12) подпрограмма постпроцессора станка рассчитывает значение скорости и подачи инструмента в каждом кадре управляющей программы в зависимости от глубины резания в соответствующем кадре.

Реализация изложенного подхода позволяет повысить эффективность фрезерования за счет роста объема снятого металла в единицу времени. Методика автоматизированного рационального распределения припусков заготовки и определения глубины резания за счет оптимального «вписывания» конструкторской модели в оцифрованную измеряемую модель заготовки позволяет исключить субъективный фактор операции первичной разметки заготовки гребного винта и повысить точность изготовления на 1,5 % от местной толщины сечения лопасти. Методика создания конструкторской теоретической модели винта позволяет существенно поднять эффективность использования CAD/CAM при имитации технологического процесса, выпуске УП и рабочей конструкторско-технологической документации за счет сокращения времени на 40-50%.

Поделиться:
 
ПОИСК
 
elibrary crossref ulrichsweb neicon rusycon
 
ЮБИЛЕИ
ФОТОРЕПОРТАЖИ
 
СОБЫТИЯ
 
НОВОСТНАЯ ЛЕНТА



Авторы
Пресс-релизы
Библиотека
Конференции
Выставки
О проекте
Rambler's Top100
Телефон: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)
  RSS
© 2003-2019 «Наука и образование»
Перепечатка материалов журнала без согласования с редакцией запрещена
 Тел.: +7 (915) 336-07-65 (строго: среда; пятница c 11-00 до 17-00)