В настоящее время сложные поверхности деталей обрабатывают на многокоординатных станках с ЧПУ инструментом относительно простой формы, которому, как правило, придают сложное следящее движение формообразования [1].
Применение более производительной обработки подобных поверхностей фасонными инструментами затруднено сложностью их расчетов.
Упростить многие расчеты при проектировании инструментов поможет использование системы трехмерного геометрического моделирования. Система позволяет оперировать объемными поверхностями, тем самым снижая загруженность расчетной подсистемы, и получить рабочий чертеж инструмента с нужными сечениями по его объемной модели.
При этом, остро стоит вопрос о разработке интегрированной САПР режущего инструмента с винтовым зубом на фасонной поверхности, объединяющую расчетную и графическую подсистемы. Это позволило бы комплексно решать вопросы оптимизации параметров режущей части инструментов такого типа и технологии их обработки с учетом возможностей современного оборудования. При разработке указанной системы наиболее сложные задачи приходится решать при проектировании дисковых фасонных инструментов для обработки стружечных канавок.
Рассмотрим более подробно основные подсистемы САПР.
Подсистема расчета геометрических параметров инструмента
Математическая модель режущей части фасонного инструмента
Согласно классической теории, огибающая исходная инструментальная поверхность (ИИП) – есть огибающая поверхности детали при ее движении относительно неподвижного инструмента. Поэтому исходными данными при определении ИИП являются заданная поверхность детали и схема формообразования.
Поскольку режущий инструмент предназначен, с одной стороны, для срезания припуска, а с другой – для придания обрабатываемой поверхности требуемой формы, то на стадии проектирования стружечной канавки необходимо, чтобы ее форма соответствовала функциональному назначению инструмента.
 Рис. 1.Вид на фрезу с торца с основными параметрами режущей части |
Высокая работоспособность инструмента возможна при выполнении следующих условий: создание оптимальных условий срезания припуска обеспечивается рациональными углами резания g,a по всей длине режущей кромки (рис.1); достаточная прочность зуба гарантируется формой спинки и глубиной канавки h (которая должна увеличиваться с увеличением диаметра инструмента, чтобы обеспечить свободное размещение стружки); желательно обеспечение постоянства ширины зуба f.
Кроме того, целесообразно использовать не прямые, а винтовые зубья, поскольку они обладают более высокими эксплуатационными показателями, позволяющими повысить производительность обработки и стойкость инструмента, улучшить качество обрабатываемой поверхности, а также снизить динамические нагрузки на станок, что важно в условиях гибких производственных систем (ГПС). Однако винтовые зубья фасонных инструментов отличаются сложностью изготовления и увеличенными погрешностями. Это объясняется тем, что параметры поверхностей, формирующих винтовой зуб на сложных ИИП обусловливают изменения профиля обрабатывающего инструмента. Поэтому для таких поверхностей определение сопряженного инструментального профиля является оптимизационной задачей, решение которой зависит от точного нахождения профиля обрабатывающего инструмента и точного выбора формообразующих движений.
Моделирование фасонной образующей инструмента
 Рис.2. Возможные формы фасонных образующих режущей части инструмента |
Использование фасонных инструментов с криволинейной образующей для обработки линейчатых поверхностей требует установления рациональных значений параметров образующей ИИП. Расширение технологических возможностей инструмента может быть достигнуто путем использования в качестве образующей ИИП инструмента фасонной фрезы кривой с наперед заданным законом изменения ее кривизны, который назначается в соответствии с диапазоном изменения главных нормальных кривизн формообразующего отсека сложной поверхности детали. Такая образующая инструмента может быть выпуклой, вогнутой или выпукло-вогнутой состоящей из касающихся друг друга в некоторой точке дуг, кривизна каждой из которой удовлетворяет определенному условию. В точке касания N кривизна кривых, составляющих профиль инструмента, должна быть равна (рис.2).
В качестве образующей или ее отсеков могут использоваться различные кривые второго порядка (парабола, гипербола, эллипс, окружность и т.д.), трансцендентные кривые (логарифмическая спираль, спираль архимеда и т.д.), т.е. почти все непересекающиеся кривые.
Определение винтовой линии пересечения передней поверхности и фасонной образующей инструмента
При проектировании фасонного инструмента возникает задача нахождения линии пересечения передней поверхности и фасонной образующей инструмента. Решение вопроса о нахождении винтовой линии на любой поверхности F(x,y,z)=0 приводит к решению дифференциального уравнения 1-го порядка в неявном виде. Задача решается сравнительно просто, когда данная поверхность – цилиндрическая с направляющей и образующими, параллельными оси Oz. В случае произвольной поверхности вращения х2+ y2 =2f(z) задача решается в квадратурах.
Для определения кривой можно составить ее натуральное уравнение [2]:
 Рис.3. Принцип нахождения линии пересечения поверхности инструмента и коноида |
Решение такого уравнения – довольно трудоемкая задача и не всегда образующая инструмента описывается аналитической зависимостью. Чаще всего она определяется дискретно. Вследствие чего применяется аппроксимация такого участка образующей, что само по себе требует дополнительного решения. Погрешности, получаемые при аппроксимации, ведут к неточности определения как самой образующей, так и последующему определению винтовой линии пересечения передней поверхности и образующей ИИП. Это, в свою очередь, приведет к погрешностям определения профиля стружечных канавок и углов резания (рис.3).
Найти линию пересечения передней поверхности и фасонной образующей инструмента можно исходя из предположения, что винтовая линия представляет собой пересечение двух поверхностей: поверхности, образованной вращением образующей ИИП инструмента, и прямого архимедова геликоида (коноида). Поверхность фасонного инструмента можно представить в виде семейства окружностей, диаметр которых изменяется вдоль оси Oz и описывается уравнением:
X2 + Y2 = Rоб2,где Rоб – радиус окружности, равный переменному радиусу образующей ИИП фасонной фрезы вдоль оси Oz.
Прямой архимедов геликоид описывается уравнением:Y = Xtg Zp
Решая совместно систему этих уравнений для каждого из радиусов и задаваясь координатой Z, находим координаты винтовой линии V(x,y,z).
В уравнении архимедова геликоида р – винтовой параметр, задаваясь которым, можно изменять параметры винтовой линии. Винтовая линия может быть с постоянным и переменным шагом. При постоянном шаге наблюдается изменение угла наклона винтовой линии и соответственно фактического переднего угла с изменением радиуса образующей, что при большом перепаде диаметров ИИП инструмента , около (1,5 – 2 )d, вызывает изменение наклона винтовой линии на 30-40%. Это обстоятельство обуславливает применение винтовой линии постоянного шага только на фасонном инструменте с небольшим перепадом кривизны образующей. На других поверхностях следует применять винтовые линии переменного шага, изменяющие угол наклона винтовой линии в зависимости от изменения радиуса образующей ИИП.
Определение стружечной винтовой поверхности
Стружечная винтовая поверхность должна обеспечивать:
• оптимальные условия срезания припуска, что достигается рациональными углами резания на всем протяжении режущей кромки;
• достаточную прочность режущего зуба, которая достигается формой зуба и увеличением глубины канавки при возрастании диаметра образующей инструмента, чтобы обеспечить свободное размещение стружки;
• постоянство ленточки на всем протяжении режущего зуба.
 Рис.4. Схема нахождения точек направляющей (Li) винтовой стружечной поверхности |
Направляющая была найдена по следующему принципу. Рассматривался участок профиля исходя из предположения, что направляющая располагается в плоскости, проходящей через режущею кромку DE и составляет с осевой плоскостью xOz двугранный угол (рис.4). Фасонный профиль ИИП аппроксимировался ломаной и рассматривались участки конуса между исходным сечением и сечениями Zi перпендикулярными оси инструмента (Oz) при движении вдоль нее.
 Рис.5. Построение поверхности стружечной канавки |
Найденные таким образом точки направляющей Li поворачивались в секущих плоскостях Zi вокруг оси Oz на соответствующий угол винтовой линии i. Затем торцевой профиль канавки перемещали вдоль направляющей и получали поверхность стружечной канавки (рис.5).
Таким образом, полученная модель стружечной винтовой канавки фасонного инструмента обеспечивает: постоянство ширины зуба вдоль режущей кромки; постоянство переднего угла; постоянство углов спинки зуба в торцовых сечениях и увеличение глубины канавки при движении вдоль оси инструмента.
Подсистема 3D-геометрического моделирования
В настоящее время системы 3D - моделирования все чаще используются при работе конструкторов-проектировщиков. Создавая графические модели изделий они позволяют не допустить ошибок при их изготовлении и тем самым снизить расходы на выпуск опытных образцов. Так же они дают возможность в настоящем времени получить любое сечение проектируемого изделия или смоделировать обработку изделия на станке и оценить его с точки зрения эксплуатационных свойств. Это особенно важно при проектировании режущего инструмента сложной формы.
При проектировании использовалась система 3D - моделирования Графика-3D.
Геометрическое моделирование фасонной режущей части инструмента
 Рис.6. Набор торцевых сечений инструмента в трех проекциях и его изометрический вид |
 Рис.7. Пример торцевого сечения инструмента со спинкой в форме ломанной из файла seshen.lb1 |
Графическая модель режущей части инструмента формируется из набора сечений инструмента, которые полностью описывают теоретически рассчитанный профиль фасонной концевой фрезы в торцевых сечениях при движении вдоль образующей ИИП инструмента (рис.6). Количество сечений, формирующее профиль инструмента, выбирается конструктором исходя из требований, предъявляемых к точности инструмента. Все торцевые сечения формируются проектирующей подсистемой и записываются в файл. Использовался внутренний файл системы Графика-3D, который имеет текстовой формат [6]. Ниже приводится пример описания сечения инструмента:
 Рис.8. Созданная объемная модель режущей части фрезы на основе сечений, показанных на рис.6 |
 Рис.9. Пример геометрической модели конуса Морзе |
файл seshen.lb1 PLAN,POIN,0,0,-0.000000 SPLN,-1 : -0.200000,0.979796 -0.454369,0.755299 -0.577308,0.478764 -0.655697,0.425584 -0.736855,0.419723 -0.806678,0.452158 -0.865760,0.500460 : -0.948360,0.317196 -0.881301,-0.015377 -0.703414,-0.260208 -0.696603,-0.354689 -0.732145,-0.427885 -0.795170,-0.472103 -0.866556,-0.499080 : -0.749232,-0.662308 -0.427742,-0.770691 -0.126753,-0.739212 -0.041547,-0.780598 0.004036,-0.848001 |
0.010777,-0.924695 -0.001593,-0.999999 : 0.198439,-0.980113 0.453165,-0.756022 0.576545,-0.479683 0.655018,-0.426627 0.736185,-0.420896 0.805957,-0.453442 0.864962,-0.501838 : 0.947853,-0.318707 0.881324,0.013974 0.703828,0.259087 0.697167,0.353579 0.732826,0.426718 0.795921,0.470835 0.867350,0.497699 : 0.750286,0.661114 0.428969,0.770008 0.127930,0.739009 0.042790,0.780531 -0.002686,0.848006 -0.009304,0.924711 0.003186,0.999995 -0.200000,0.979796; |
Файл seshen.lb1 содержит описание одного сечения концевой фрезы имеющей: d=12 мм, угол g=12о, 6 зубьев, ломаную спинку с a=30о, a=12о, глубину зуба h=3 мм (рис.7). Каждое сечение описывается замкнутым сплайном в форме ломаной. На базе созданных сечений, не меньше двух, создается объемная геометрическая модель рабочей части инструмента с помощью команды FULL системы Графика-3D [6] (рис.8).
Геометрическое моделирование хвостовой части инструмента
Хвостовик инструмента в зависимости от типа и размера создается вводом основных исходных данных при вызове соответствующего файла из системы Графика-3D [6]. Например, при вызове файла описания конуса Морзе – kon_m.lb1, система запрашивает:
ВВЕДИТЕ НОМЕР КОНУСА
?__ .
Точка привязки с режущей частью указывается в интерактивном режиме системы Графика-3D (рис.9).
Графическое определение профиля инструмента второго порядка
 Рис.11. Огибающая профиля инструмента второго порядка |
Существует множество методов определения профиля инструмента второго порядка для обработки винтовых стружечных канавок. В основном профилирование основано на применении аналитических [4] и графо-аналитических [3] методов расчета профиля инструмента, а при сложной образующей ИИП применяются и графические методы [5].
Графические методы профилирования в настоящее время распространены, меньше из-за использования при расчетах компьютерной техники, что повышает скорость и точность вычислений при использовании аналитических методов расчета инструмента. Но развитие систем 3D моделирования, позволяющих применять алгоритмы графического определения профиля инструмента второго порядка применительно к объемным моделям режущей части инструмента, дает возможность применять и графические методы профилирования.
Профилирование ведется по принципу метода "совмещенных сечений" [4], но для инструментов с фасонной ИИП. Метод основан на нахождении профиля инструмента второго порядка по профилю обрабатываемого инструмента в нескольких контрольных сечениях (в данном примере a,b,c) посредством системы Графика-3D (рис. 10). Контрольные сечения назначаются на разных диаметрах вдоль образующей ИИП параллельно оси дискового инструмента. Найденные профили (a1,b1,c1) совмещаются в одной плоскости, исходя из заданных параметров инструмента второго порядка, и, на основе этого, определяется окончательный профиль обрабатывающего инструмента (рис.11).
 Рис.13. Сечения показывающие положение инструмента относительно обрабатываемой детали в секущей плоскости |
Проверка обработки найденного профиля стружечной канавки и создание рабочего чертежа концевой фрезы
С помощью найденного профиля инструмента второго порядка в системе Графика-3D строится объемная геометрическая модель обрабатывающего инструмента. Имея направляющую винтовой поверхности и параметры установки инструмента, определяется траектория движения инструмента второго порядка (рис. 12). Затем с помощью команд системы Графика-3D составляется программа перемещения обрабатывающего инструмента вдоль модели режущей части концевой фрезы. В контрольных точках строятся сечения плоскостями, параллельными оси инструмента второго порядка. Полученные сечения контролируются на подрезание профиля стружечной канавки (рис.13).
Последним этапом проектирования инструмента является создание рабочего чертежа концевой фрезы. Чертеж создается по объемной геометрической модели инструмента в системе Графика-3D и может быть создан двумя способами:
 Рис.14. Рабочий чертеж фасонной концевой фрезы |
1. Объемная модель проецируется на три плоскости и полученные проекции сохраняются, как плоские модели, из которых затем компонуется чертеж и на которых проставляются размеры;
2. Размеры проставляются на объемной модели, которая затем изображается в четырех видах (один вид изометрия, как на рис.6) с помощью редактора 3D-моделей системы Графика-3D. На конечном этапе все виды сохраняются как единый плоский чертеж (рис.14).
В заключении хочется отметить, что применение системы 3D - моделирования позволяет не только сократить время на проектирование инструмента и получить его пространственное представление для дальнейшего анализа, но и производить прочностные расчеты на основе метода конечных элементов и делать еще многое другое, недоступное ранее. Все это позволяет выйти конструктору на новый, более высокий уровень проектирования.
Литература
1. Радзевич С.П. Профилирование фасонных инструментов для обработки сложных поверхностей на многокоординатных станках. – Станки и инструмент. 1989. № 7. c. 10-12.
2. Люкшин В.С. Теория винтовых поверхностей в проектировании режущих инструментов.-М.: Машиностроение, 1968.- 367 с.
3. Гречишников В.А. Профилирование инструмента для обработки винтовых поверхностей деталей по методу совмещенных сечений. Руководство по курсовому и дипломному проектированию. -М.: Мосстанкин, 1979.- 27с.
4. Щегольков Н.Н. Итерационный способ компьютерного профилирования дисковых инструментов для винтовых поверхностей. Учебное пособие. – М.: Мосстанкин, 1991.- 49с.
5. Тевлин А.М., Слав Л.И. Профилирование дисковой фрезы для обработки конической винтовой поверхности. – Станки и инструмент. 1971. № 6. c. 30-32.
6. Артамонов Е.И., Загвоздкин В.А., Шурупов А.А., Щегольков М.Ю. Языки взаимодействия пользователя с ЭВМ в системе Графика-81. – М.: Институт проблем управления, 1992.- 241с.
Новости. Хроника событий
Второй межведомственный научно-практический семинар <Проблемы и технологии создания и использования космических систем и комплексов на базе малых космических аппаратов и орбитальных станций>
cостоится с 26 по 30 октября 1998 г. в Государственном космическом научно-производственном Центре (ГКНПЦ) им. М.В.Хруничева.
Организаторы семинара - ГКНПЦ и Институт проблем управления (ИПУ) РАН - полагают, что для совершенствования ракетно-космической техники требуется уделять внимание четырем глобальным проблемам, а именно:
1. Общесистемные проблемы (экономико-стратегические, организационные, научно-технические),
2. Развитие высоких технологий и совершенствование различных средств и компонентов ракетно-космической техники.
3. Управляющие средства космических систем и комплексов (общие вопросы космических информационных технологий, направления совершенствования информационно-управляющих средств ракетно-космической техники).
4. Перспективные информационные технологии в деятельности предприятия (автоматизация деятельности территориально-распределенной космической фирмы, корпоративные системы, базы данных и знаний, экспертные системы, CALS - технологии, безопасность данных, сопровождение жизненного цикла изделия).
Предполагается расширение в докладах тематики и определенной конкретизации перечисленных выше проблем.
Адрес оперативной рабочей группы:121309, Москва, Новозаводская ул., дом 18
Телефоны: 142-5268, 145-9075, 145-9771