CC BY
301
УДК: 658.52.011
Н. Я. Яхьяев, А. В. Махин
АВТОМАТИЗАЦИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ПОДГОТОВКИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ЛОПАСТЕЙ ГРЕБНЫХ ВИНТОВ
Введение
Гребной винт (ГВ) - это наиболее распространенный судовой движитель, влияющий на пропульсивные качества судов. Он представляет собой ступицу с расположенными на ней лопастями, каждая из которых образована винтовыми поверхностями (рис. 1).
Рис. 1. Конструкции ГВ: 1 - монолитный - нерегулируемый ГВ;
2 - составной - регулируемый ГВ; 3 - лопасть
Сложность технологии производства ГВ обусловливают различные параметры винта, среди которых в первую очередь необходимо выделить следующие: диаметр винта и ступицы; шаг винта; число лопастей; направление винтовой линии в пространстве; форма лопастей и их сечения. Сложная геометрическая форма лопасти ГВ обусловлена необходимостью создания гидродинамической силы. Сечение лопасти представляет собой две линии разной кривизны. Верхняя линия длиннее нижней, поэтому скорость обтекания верхней линии будет больше, и, следовательно, над лопастью возникает зона разрежения. Вследствие разности давлений в потоке по обе стороны лопасти возникает подъемная сила, которая зависит от скорости перемещения, плотности жидкости, размеров лопасти, расположения лопасти по отношению к потоку. Проектирование ГВ относится к сложным конструкторским задачам, эффективность решения которых зависит от учета следующих факторов:
— числа лопастей (от 2-х до 6-ти и более);
— формы самой лопасти (узкая, широкая, без перекрытия, с перекрытием, симметричная или асимметричная форма, без скоса или со скосом и др.);
— метода соединения лопастей со ступицей (монолитные нерегулируемые ГВ и составные регулируемые);
— характера восприятия давления при перемещении судна (различают нагнетательную или воспринимающую упорное давление и засасывающую стороны лопасти);
— диаметра гребных винтов (100.. .10 000 мм и более);
— массы (1.45 т и более);
— материала (сталь, чугун, латунь, бронза, пластмасса, нержавеющая сталь и др.).
В процессе проектирования ГВ следует учитывать технологию получения заготовок и их дальнейшей обработки - механической, химико-термической и др.
Наиболее важными с точки зрения функционирования и проектирования являются сечения гребных винтов, которые подразделяют на продольные и медианальные. Продольные сечения образуются пересечением круглых цилиндров, ось одного из которых совпадает с осью гребного винта, а другого - с осью лопасти винта. Медианальные сечения образуются от пересечения лопасти плоскостями, проходящими вдоль оси гребного винта.
В процессе длительной эксплуатации ГВ трущиеся поверхности лопастей подвергаются износу, доминирующими видами которого являются кавитация и эрозия. Интенсивность изнашивания в значительной степени зависит от качества исходной поверхности, обусловленного точностью проектирования и изготовления. Геометрические отклонения поверхностей лопастей от расчетной формы, допущенные в процессе их проектирования, а также технологические ошибки ускоряют износ ГВ.
Повышение долговечности ГВ, совершенствование технологических процессов их изготовления являются актуальными задачами отечественного судостроения. Наиболее действенным и эффективным путем их решения являются разработка и применение сквозной технологии автоматизированного проектирования (САПР) с разработкой управляющих программ (УП) для станков с числовым программным управлением (ЧПУ), высокоточной обработкой сложных винтовых поверхностей на этих станках и автоматизированным контролем качества на всех этапах обработки [1].
Программные продукты САПР открывают производителям ГВ новые возможности по сокращению сроков выпуска новых изделий на рынок, улучшению качества продукции, сокращению затрат на проектирование и производство. Предприятия, внедряющие такие системы, реально повышают свою конкурентоспособность.
Реагируя на растущие потребности пользователей, поставщики САПР постоянно расширяют диапазон функций своих продуктов. Однако чем сложнее используемое программное обеспечение, тем выше требования к квалификации специалистов, работающих с данным программным комплексом.
С распространением «тяжелых» систем САПР обостряется кадровая проблема на производственных предприятиях. Во-первых, содержание высококвалифицированных сотрудников, обладающих опытом и знаниями работы с САПР высшего уровня, обходится предприятиям недешево; кроме того, формируется зависимость коллективов от специалистов этого класса. Стремясь снять остроту проблемы, предприятия закупают программное обеспечение, которое при достаточно полной функциональности требует меньшей квалификации пользователей системы.
Использование программных сред САПР для создания собственных приложений является мощным средством повышения производительности и качества работы. Например, многие зарубежные фирмы держат штат программистов, преобразующих закупаемую CAD/CAM/CAE-систему в «САПР под ключ», чем значительно повышают производительность работы с системой [2].
Создание сложных программных комплексов в средах «тяжелых» САПР в России является пока почти уникальным явлением, хотя преимущества этого метода могут быть впечатляющими. Именно поэтому предлагаемая ниже методика применения САПР основана на использовании отечественных, доступных пользователю программных продуктов.
Используя возможности отечественного автоматизированного программного комплекса КОМПАС-3D v.8 (далее КОМПАС), имея в своём распоряжении трёхмерные модели ГВ, можно получить всевозможные виды и сечения детали при формировании конструкторско-технологической документации на изготовление лопасти ГВ.
Для создания трёхмерной параметрической модели лопасти составного ГВ был использован эскиз с таблицей координат сечений лопастей. В качестве инструмента использован комплекс КОМПАС [3]. Выполнение поставленной задачи по формированию трёхмерной модели было осуществлено в два этапа: вначале был сформирован узел крепления лопасти к ступице ГВ, для чего был применён метод вращения плоского контура вокруг оси симметрии (паз крепления был вырезан методом вращения плоского контура вокруг оси), затем выполнялось формирование лопасти гребного винта. Второй этап представляет определенные сложности, поэтому рассмотрим его более подробно.
КОМПАС позволяет формировать модель по отдельным сечениям. Поэтому по данным эскиза винта было сформировано 13 фрагментов сечений через определённое расстояние (увеличение количества фрагментов повышает точность проектирования). В модели ступицы по эскизу было задано 13 параллельных плоскостей, расположенных на одинаковом расстоянии друг от друга. В каждую плоскость перенесли соответствующий фрагмент сечения лопасти, соблюдая пространственную ориентацию каждого сечения (рис. 2).
Рис. 2. Формирование модели лопасти по отдельным сечениям
Параметры каждого сечения были сохранены в базу данных системы. Формирование пространственной модели лопасти винта было выполнено с использованием метода последовательных сечений. Полученную модель лопасти виртуально соединили с узлом крепления методом сложения.
Таким образом, была получена трёхмерная модель лопасти составного гребного винта, показанная на рис. 3.
Данный программный комплекс при разработке методики был использован для моделирования судовых винтов сложной конфигурации и подготовки УП на 5-координатные станки с ЧПУ для производства этих изделий. Целями создания программного комплекса были ускорение и упрощение процесса моделирования изделий. Данный комплекс может быть использовании и для дополнения функциональности системы UNЮRAPШСS по подготовке УП при применении уникальных технологий обработки и оборудования.
Полученная модель была параметризирована, что дает возможность использовать ее при исследованиях влияния на лопасти различных нагрузок, а также при испытании новых видов лопастей [4].
Электронный вид чертежей позволяет очень легко вести их учёт, архив и перекодировку для экспорта в другие системы автоматизированного проектирования, облегчаются их копирование, корректировка и защита от несанкционированного вмешательства.
Разработанная на базе КОМПАС методика трёхмерного моделирования лопасти составного ГВ позволяет изменять размеры узла крепления и размеры сечений лопасти: углы атаки, радиусы закруглений, высоты сечений и т. д., что в конечном итоге может привести к формированию совершенно новых моделей, отличных от уже спроектированных.
Средствами обеспечения заданной точности механической обработки сложных поверхностей являются металлорежущие станки, кузнечно-прессовое и литейное оборудование. В последнее время появились методы резания, отличные от классического точения и фрезерования: электрофизические, ультразвуковые, электрохимические и лазерные. Кроме того, существуют различные анодно-механические, электроабразивные, импульсные, электроэрозийные, электроискровые способы обработки. Одним из основных методов обработки ГВ является обработка на металлорежущих станках. Для обработки ГВ применяются копировально-фрезерные станки и станки с ЧПУ.
х
Рис. 3. Трёхмерная модель лопасти составного ГВ, сформированная в КОМПАС
Обработка лопастей на копировально-фрезерных станках имеет следующие особенности [5]:
— лопасть гребного винта обрабатывают двумя фрезами, т. е. одновременно обе стороны лопасти; такое расположение режущих инструментов резко уменьшает деформацию лопасти от действия сил резания;
— ось гребного винта располагают горизонтально;
— обработку ведут по копиру, представляющему одну лопасть винта в масштабах 1:2; 1:3; 1:4; 1:5, причем другая сторона лопасти имеет на копире зеркальное изображение;
— возможно изготовление по «правому» копиру «левой» детали и наоборот.
Фрезерование лопасти ГВ на этом станке начинают с кромки. Фрезу устанавливают
на определенную глубину, и ГВ совершает возвратно-качательное движение вокруг горизонтальной оси. После первого прохода фрезерные головки специальными электродвигателями поворачиваются на определенный угол, выводя фрезы из металла. Гребной винт на быстром ходу возвращается в исходное положение и останавливается, затем оба хобота с фрезерными головками перемещаются продольно, что обеспечивает подачу на «строчку», поворот фрезерных головок и установку фрез на определенную глубину. Начинается резание новой строчки по дуге лопасти.
Недостатком этого метода является наличие «строчек» или «ступеней», что приводит к большому объёму доводочных работ, а также снижению качества и точности лопастей ГВ. Одним из основных требований к ГВ является абсолютная идентичность всех его лопастей, чего добиться указанным методом достаточно сложно или совсем невозможно.
Эти проблемы с успехом могут решить фрезерные 5-координатные станки с ЧПУ. Особенность обработки на таких станках - наличие двух хоботов с фрезами, которые одновременно обрабатывают лопасти с двух сторон, обеспечивая возможность обработки нежестких конструкций методом уравновешивания реакций. Последнее обстоятельство способствует замыканию пространственной системы станина-ГВ-фрезы-хоботы-станина, что благоприятно сказывается на гашении колебаний в процессе обработки.
Среди основных характеристик обработки на фрезерных станках с ЧПУ можно выделить следующие.
1. Многочисленные или дорогостоящие операции по настройке.
2. Разумная замена высококвалифицированного рабочего, когда время обработки несоразмерно мало со временем установки.
3. Разнообразная обработка:
— сложных деталей малыми партиями;
— сложных деталей большими партиями при опасности возможных ошибок в УП;
— деталей с большим количеством размеров, имеющих жесткие допуски;
— деталей с индивидуальными отклонениями размеров в партии;
— деталей, подверженных конструктивным изменениям;
— деталей, требующих строгого контроля точности изготовления.
Использование в технологическом процессе ГВ станков с ЧПУ оказывает большое положительное влияние на процесс проектирования и подготовки производства.
1. При конструировании ГВ:
— позволяет обрабатывать сложные пространственные контуры;
— у конструктора появляется большая возможность при выборе формы;
— имеется большая гибкость при внесении изменений в конструкцию детали (при обработке детали на обычном станке требуется зачастую дорогостоящая оснастка и инструмент);
при изменении формы или размеров детали надобность в изготовлении специальной оснастки и инструмента отпадает;
— позволяет сложные детали не делать составными, что приводит к упрощению сборочных операций;
— допуски на размер деталей определяются только точностью станка.
2. При подготовке производства:
— размеры проставлять от начала координат;
— отверстия делать одного диаметра;
— галтели делать одного радиуса;
- изучить характеристики стандартного режущего инструмента, чтобы не применять значительно более дорогие нестандартные;
- избегать суммирования допускаемых отклонений.
Технологическая подготовка обработки детали на станках с ЧПУ существенно отличается от подготовки при обработке на обычных универсальных станках. Основной проблемой для технолога-программиста является формирование УП по обработке сложных пространственных поверхностей, т. к. «вручную» спроектировать такую УП невозможно. В связи с этим воспользуемся возможностями компьютерных технологических систем, которые в автоматизированном режиме генерируют УП по заданной трёхмерной модели [4].
Одной из таких систем является система автоматизированного проектирования УП для станков с ЧПУ ГеММа 3Б (далее ГеММа) [6].
В подобных программных продуктах используются возможности компьютерной визуализации для контроля качества УП как более быстрой и эффективной альтернативы предварительного изготовления образцов. Так как процесс отладки и проверки УП на станках с ЧПУ часто приводит к порче инструмента, заготовки и приспособлений, то компьютерная визуализация для контроля качества УП способствует экономии времени и средств.
Как показывает практика, самыми эффективными программными средствами, применяемыми в области подготовки производства на станках ЧПУ, в настоящее время являются программы имитации процесса обработки. Такое программное обеспечение, используя УП, представленную в кодах конкретного оборудования с ЧПУ, обеспечивает динамическую визуализацию процесса обработки изделия на экране монитора компьютера. Никакие другие программные средства не дают такого сокращения расходов, повышения качества и увеличения производительности на производстве, где применяются станки с ЧПУ.
Помимо средств генерирования УП по обработке сложных пространственных форм, ГеММа содержит средства визуализации обработки на оборудовании с ЧПУ. Одним из основных достижений ГеММы считается надежная связь в области обмена данных с большинством известных российских и зарубежных систем автоматизированного проектирования (САПР). Спроектированные в САПР модели экспортируются в Г еММу, где формируются УП для оборудования с ЧПУ. Эти возможности ГеММы были использованы при проектировании УП по обработке лопастей для составного ГВ.
Алгоритм решения поставленной задачи осуществлялся следующим образом:
1. Экспорт трёхмерной модели лопасти в САПР Г еММа.
2. Выбор инструмента (фрезы) из обширной базы инструментов.
3. Выбор постпроцессора, соответствующего оборудованию с ЧПУ (из базы данных).
4. Выбор стратегии обработки сложной поверхности лопасти (из базы данных).
4.1. Для черновой обработки была использована соответствующая стратегия, которая заключается в том, что система автоматически производит построение наиболее эффективной траектории черновой обработки (рис. 4).
Рис. 4. Черновая обработка лопасти в системе ГеММа: 1 - лопасть; 2 - фреза
4.2. Для чистовой обработки используется стратегия, которая заключается в том, что траектория ограничивается контурами, соответствующими трёхмерной модели.
4.3. Используем возможности системы ГеММа по оптимизации УП, т. к. УП послойной обработки имеет большую протяжённость. Это обеспечивается аппроксимацией траектории инструмента дугами окружностей.
При разработке предлагаемой методики САПР была принята методика обработки поверхности лопасти по медианальным сечениям. Применение данной методики возможно только с применением автоматизированных систем. Имея в своём распоряжении трёхмерную модель лопасти, можно получить медианальные сечения через любой угол.
Модель, переданная в ГеММу, безо всяких доработок может служить основой для построения УП для станка с ЧПУ.
Заключение
Выполненный в работе анализ САПР ГВ показывает, что на современном этапе развития конструкторско-технологических методов подготовки производства высокоточных, ответственных деталей и узлов машин, к которым относятся ГВ, требуется внедрение комплексов САПР. Это в несколько раз повысит эффективность работы конструкторов и технологов при разработке конструкции ГВ и технологического процесса их изготовления. Кроме этого, применение САПР повышает культуру производства, и в результате улучшается повышается качество гребных винтов и показатели надежности их работы (долговечность, кавитационная стойкость и др.)
Разработанная методика САПР позволяет проектировать трёхмерные параметрические модели лопасти составного ГВ и чертёжную документацию к ней (в среде ПО КОМПАС), а также разрабатывать УП для станка с ЧПУ (в среде ПК ГеММа) по обработке сложной пространственной формы лопасти. Внедрение в производство предлагаемой методики применения САПР значительно повысит эффективность работы конструкторских и технологических подразделений, уменьшив тем самым сроки и затраты на подготовку необходимой технологической документации и окупаемости новых изделий.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Системы автоматизированного проектирования изделий и технологических процессов в машиностроении / В. И. Бородинский и др. - Л.: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1986. - 319 с.
2. Куракин М. Повышение производительности работы с САПР // RM MAGAZINE. - 2008. - № 3.
3. КОМПАС-ГРАФИК: руководство пользователя. - СПб.: АО «АСКОН», 1999. - 406 с.
4. Красильникова Г. А. Автоматизация инженерно-графических работ. - СПб.: Питер, 2000. - 256 с.
5. Дружинский И. А. Сложные поверхности: справ. - М.: Машиностроение, 1985. - 264 с.
6. Руководство пользователя системы ГеММа 3В. - М.: НТЦ «ГеММа», 2000. - 424 с.
Статья поступила в редакцию 5.02.2009
AUTOMATION OF DESIGNING AND TECHNOLOGICAL PREPARATION OF PROPELLER BLADE MANUFACTURING
N. Ya. Yakhyaev, A. V. Makhin
The analysis of modem computer-aided design system (CAD system) of screw propellers is given in the paper. It is shown that the application of CAD systems improves the culture of manufacture, quality of screw propellers and parameters of their reliability (durability, cavitation sensitivity, etc.), and efficiency of designers’ and technologists’ work while the development of screw propellers designs and technological process of their manufacturing also increases in several times. The application technique of CAD systems is developed, allowing to design three-dimensional parametrical models of the blade of compound screw propellers and the drawing documentation to it in the environment "COMPASS", and also to develop the managing program for the machine tool with programmed numerical control (in the environment of personal computer GeMMa). Results of the introduction of the offered technique into manufacture are shown in the paper.
Key words: computer-aided design system (CAD system), programmed numerical control, screw propeller, blade, program, COMPASS, GeMMa.
