CC BY
25САПР
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
Так, продувка в течение 20 мин и кристаллизация в земляную форму способствовали значительному растворению включений графита после термической обработки по режиму: нагрев в интервале 600 - 900°С, выдержка 1ч, охлаждение на воздухе.
Объемная доля графита б зависимости от температуры обработки изменяется следующим образом:
Температура нагрева, °С 600 700 800 900
Объемная доля графита, % 10,1 10,2 8,8 8,6
Растворение включений графита происходило плавно во времени и ускорялось с повышением температуры нагрева и увеличением времени продувки. Например, увеличение времени выдержки при 900°С с последующим охлаждением на воздухе изменяло объемную долю графита так:
Время выдержки, мин 15 30 45 60
Объемная доля графита, % 11,4 10,4 10,0 8,6
Результаты металлографических исследований позволили сделать вывод о том, что процесс растворения графита происходит в несколько стадий - от утонения выделений до образования областей значительной протяженности, состоящих из мелких глобулей графита.
В то же время действие продувки расплава смесью азота и водяного пара после высокотемпературной закалки имело обратный эффект: объемная доля графита увеличивалась. Повышение температуры нагрева под закалку до 1000°С несколько уменьшало ее, но не ниже исходного уровня. Так, объемная доля графита уменьшалась с 21% после закалки с 900°С до 14% - с 1000°С.
Растворение графита сопровождалось увеличением дисперсности глобулярных включений графита и образованием участков феррита дендритной конфигурации. Такой тип микрос-руктуры довольно широко распространен и характерен для многих эвтектических модифицированных сплавов. Ярким примером может служить микроструктура эвтектических силуминов. Поэтому по аналогии можно считать, что чугун с грубым пластинчатым графитом (без продувки расплава и высокотемпературного нагрева) -немодифицированный или размодифицированный, а чугун с очень мелким глобулярным графитом и участками феррита дендритной конфигурации - модифицированный.
Вывод. Продувка расплава азотом и водяным паром раздельно и совместно оказывает существенное влияние на поведение доменного чугуна при термической обработке и открывает принципиальную возможность растворения включений графита.
Литература
1. ЛакомскиР В.И., Явойский В.И. Газы в чугунах. - Киев. Государственное изд-во технической литературы, 1960. -173 с.
2. Шаповалов В.И. Влияние водорода на структуру и свойства железо -углеродистых сплавов. - М.: Металлургия, 1982, - 230 с.
3. Кустов Б.А. Влияние продувки чугуна нейтральными газами на его характеристики / Изв. вузов. Черная металлургия. - 1989. - №8. - С. 111 - 114.
4. Аверин В.В., Ревякин A.B., Федорченко В.И. и др. Азот в металлах. - М.: Металлургия, 1976. - 224 с.
Автоматизация проектирования станочных приспособлений на основе твердотельного моделирования
Б. Б. ИЛЬИЦКИЙ, профессор, доктор техн. наук, БГТУ, а. Брянск
Промышленными предприятиями накоплен немалый опыт автоматизации локальных служб конструкторских и технологических подразделений. Несмотря на ограниченное применение средств САПР в реальной работе, результат очевиден - уровень владения новыми технологиями, знание различных прикладных систем, приобретенный реальный опыт работы плюс сотни (тысячи) разработанных чертежей, управляющих программ, моделей и т.п. Практически на каждом предприятии используются сети, ширится применение телекоммуникационных технологий (электронной почты, ИНТЕРНЕТ), автоматизированные системы проектирования постепенно становятся обычным и привычным инструментом конструктора и технолога. В условиях, когда сроки выполнения задания являются ос-новньм требованием заказчика, конкурентоспособное предприятие немыслимо без соответствующих средств автоматизации. Поэтому применение современных систем моделирования (САР/САМ/САЕ-технологии) различных машиностроительных объектов, процессов их изготовления и технических расчетов гозволяет на более высоком уровне подходить к процессам формирования конструкций технологической оснастки.
Использование САР-систем среднего и высокого уровня, таких как ОМАТРОЫ, воПсМогкБ, ТАехСАР, позволяет
быстро и наглядно построить твердотельную модель оснастки любой степени сложности с ее размерной параметризацией и параметризацией механических, физических и химических свойств. Использование параметризации позволяет создать одну базовую конструкцию, в которой при изменении определенных размеров и свойств меняется конструктивная форма, размеры и свойства. В связи с этим нет необходимости создавать большие электронные базы данных всей номенклатуры технологической оснастки. Возможно постэоение гибридных моделей, выполнение булевых операций над твердотельными объектами и поверхностями. Модели деталей и сборочных единиц могут быть объединены в сборку. Любые изменения, выполненные над редактируемой моделью (деталью), отразятся во всех сборках, содержащих этот объект. Это позволяет, например, при автоматизации сборки станочной оснастки из элементов универсально-сборных приспособлений (УСП) или сборно-разборных приспособлений (СРП), вся номенклатура которых превышает 40 тысяч единиц, быстро и качественно производить подбор определенных компоновок приспособлений с наименьшими за-ратами времени и потерями данных, а также упростить алгоритмы поиска оптимальных решений конструктивногс моделирования с определенными техническими и механическими параметрами.
*
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
САПР
В современных САО/САМ/САЕ системах можно проводить следующие этапы проектирования технологической оснастки:
• выбор типа и места расположения установочных элементов приспособления;
• назначение конструктором схемы закрепления;
• выбор типов и точки приложения элементов зажимного механизма и точек приложения сил закрепления,
• расчет пластических деформаций в зоне контакта установочного элемента и базовой поверхности заготовки;
• определение погрешности закрепления;
• определение размерного износа установочных элементов;
• формирование конструкции корпуса приспособления и компоновки приспособления в целом;
• определение температурных деформаций;
• формирование рабочих чертежей;
• реалистичное моделирование деталей из листового материала, включающее получение заготовк/1 и возможность конструирования в плоском состоянии;
• моделирование сборочных единиц, включающее: возможность ведения процесса проектирования в соответствии с поставленными целями; динамичность движения сборочной единицы за счёт уникальных возможностей визуализации; правдоподобные сборочные примитивы для создания точной конструкции сборочной единицы; инструменты управления сборкой, которые улучшают представление объекта; возможность повторного использования уже существующих конструкций с целью снижения усилий, затрачиваемых на проектирование; наглядность и высокую степень детализации.
Выбор установочных и зажимных элементов приспособлений проводится путем импортирования в сборочную единицу ранее созданное или типового (из базы данных) элемента. Данные системы дают возможность создания базы данных твердотельных моделей деталей и чертежей, а кшорые мелу! закладываться конструктивные элементы приспособления и сборочные единицы любой системы (УСП, СРП, неразборные специальные приспособления (НСП и др.), а также типовые конструкции приспособлений. Возможность создания твердотельной модели в контексте сборки позволяет легко и быстро создавать совершенно новые нестандартные элементы.
Так при проектировании токарной технологической оснастки (на примере системы ЭоПсМогкэ) - поводковых патронов - строится параметрическая твердотельная модель сборки. В модель сборки должны входить сборочные единицы - поводковый патрон и задний центр, обрабатываемая заготовка. Сборочные единицы и обрабатываемая заготовка должны иметь взаимосвязь между сборкой, деталью и чертежом. Изменение размеров или параметров, например в чертеже, должно приводить к изменению моделей сборки и деталей. Параметризация, в данном случае, охватывает все размерные характеристики конструкции в зависимости от:
• параметров заготовки - конструктивное исполнение базовых центровых отверстий, диаметр, геометрические и физико-механические свойства торца заготовки, по которому передается крутящий момент, максимальный диаметр обработки, масса;
• составляющих силы резания (Рх, Р Р2)
В связи с тем, что основной единицей конструкторской документацией является чертеж, то выходным параметром проектирования должен быть параметризованный чертеж сборки приспособления. Использование САМ-технологий
(WorksCAM) позволяет получитэ значения составляющих сил резания, которые с помощьо макросов (или дополнительного программного обеспечения связи CAD с САМ-системами) связываются с таблицей параметров сил резания находящейся в технических требованиях чертежа поводкового патрона. В зависимости от параметров составляющих силы резания происходит параметризация конструкций ноьодкоьых элемента и 1арельча1ых пружин. Параметризация поводковых элементов и тарельчатых пружин может осуществляться двумя способами. При первом математически формализуется зависимость их конструктивных параметров от составляющих силы резания. При втором конструктивные характеристики проектируемых элементов выбираются из реляиионных баз данных (в конкретном случае составлены Excel-таблицы) в зависимости от величины силы резания. Первый способ более трудоемкий, т.к. требует написания дополнительных макросов, осуществляющих расчет параметров по уравнениям, но более рационален, ибо учитываются все конструктивные, физико-механические свойства элемента. Второй способ более удобен в связи адаптацией CAD-систем к работе с реляционными базами данных, в которых представлены ряды стандартизованных элементов, что повышает уровень унификации не только конструкторской, но и технологической подготовки производства. Далее, в зависимости от параметров заготовки, происходит параметризация остальных составляющих деталей конструкции станочного приспособления. Взаимосвязь изменений параметризованных деталей описывается с помощью булевых функций, что предотвращает пересечение объектов, параметризованных от двух независимых характеристик параметрического преобразования - параметров заготовки и параметров составляющих силы резания. На рис. 1 представлена конструкция поводкового центра, полученного с использованием параметрического проектирования в системе SolidWorks.
Рис. 1. Поводковый центр, передающий крутящий момент но предварительно созданной в торие заготовки эксцентричной выточке
Для автоматизированного проектирования станочных приспособлений, применяемых для обработки корпусных заготовок резанием с использованием элементов УСП и СРП, необходимо создавать дополнительные программные модули в САР-системах на основе их внутренних языков программирования. На первом этапе должны быть созданы базы данных парка металлорежущих станков, элементов УСП и СРП. Элементы УСП и СРП необходимо ранжировать по группам: базовые детали и сборочные единицы; коопусные детали и сборочные единицы; установочные детали и сборочные единицы; прижимные детали и сборочные единицы; крепежные детали; сборочные единицы, необходимые для базирования или совместного базирования и закрепления заготовки. Второй этап заключается в написании программных модулей или мак-
САПР
ОБРАБОТКА МЕТА1ЛОВ
росов для реализации следующих этапов проектирования:
1. Распознание поверхностей твердотельной модели заготовки по условию базирования заготовки по шести степеням свободы. Выбираются один или несколько вариантов комплектов поверхностей заготовки, которые включают в себя установочную, направляющую (двойную опорную) и опорную базовые поверхности или двойную направляющую опорную и опорную (двойную направляющую и направляющую) базовые поверхности.
2. Для конкретного комплекта сочетания форм базовых поверхностей выбираются схемы установки заготовки в приспособления с выбором конструктивных элементов оснастки (штыри, пластины, призмы, оправки, втулки, центры).
3. Производится отбор схем установки заготовки по следующим правилам: возможность гарантированного закрепления заготовки (выбор схемы закрепления); обеспечение требуемой точности обработки или сборки; минимальное вспомогательное время на установку заготовки в приспособление; минимальная величина погрешности базирования; минимальная себестоимость изготовления. В связи с тем, что стоимостные оценки элементов технологической оснастки непостоянны, этот параметр может быть определен на основе применения теории нечетких множеств. Ранжирование по стоимостному критерию элементов приспособления в базе данных проводится на основе нечетких терминов - дороже и дешевле. Для определения схемы закрепления должны быть известны тип и конструктивные параметры режущего инструмента, его траектория движения. Область местоположения инструмента можно представить в виде скрытой (погашенной) твердотельной модели пространства. Твердотельной модели пространства положений инструмента присваивается принцип непересечения с элементами приспособления, что может быть описано с использованием булевых функций.
4. Расчет силы закрепления по известным величинам и местоположениям сил и моментов резания. Выбор типа зажимного устройства. Выбор типа силового механизма.
5. Компоновка приспособления на корпусные детали или сборочные единицы, исходя из соблюдения условий минимальной погрешности установки и себестоимости. Конструирование осуществляется на основе баз данных -прижимных деталей и сборочных единиц; крепежных деталей; сборочных единиц, необходимых для базирования или совместного базирования и закрепления заготовки.
6. Выбор базовой детали или сборочной единицы в зависимости от выбранного типа станка, для которого известны присоединительные и базовые поверхности опорной поверхности стола.
7. Осуществление общей компоновки приспособления.
8. При компоновке нескольких приспособлений необходимо предусмотреть критерии - минимальное количество сборочных единиц или деталей для каждой группы элементов УСП и СРП, входящих в сборку, минимальное время, затрачиваемое на сборку приспособления.
САй-системы на основе твердотельного моделирования обеспечивают генерацию сеток конечных элементов для последующего инженерного анализа в САЕ-системах (СоэтозУУогкз, ЫАБТРАМ, Мо1с1Ао\л/ и т.д.). Это дает возможность провести целый ряд конструкторских и технологических расчетов: пластических деформаций в зоне контакта установочного элемента и базовой поверхности заготовки, определение температурных деформаций на основе механических, термических и химических свойств
рассматриваемой системы изготовления и эксплуатации изделия; обеспечения заданных требований к качеству изготавливаемого изделия через эксплуатационные и конструктивные хаоактеристики проектируемой оснастки.
Например, расчет межремонтного периода эксплуатации станочного приспособления может быть определен по следующей методике:
1. В САМ системе разрабатывается технологический процесс обработки заготовки. С использованием промежуточного программного обеспечения, связывающего CAD и САМ-системы, в CAD-систему передаются параметры технологической системы: жесткость, вибрсустойчивость станка, режимы резания, градиенты направления и величины сил резания, базовые поверхности заготовки и т.д.
2. CAD-система для рассматриваемого технологического процесса выбирает или конструирует компоновку станочного приспособления в режиме параметризации его базовых размеров и свойств, удовлетворяющих условиям обработки заготовки.
3. Выбираются поверхности твердотельных моделей приспособления, влияющих на точность и характер процесса формообразования поверхностей заготовки.
4. Конвертирование выбранных поверхностей приспособления в САЕ-систему с заданными их механическими параметрами и параметрами технологической системы.
5. Разбивка рассматриваемых поверхностей на элементы. При износе поверхностей нет смысла производить поэлементную сегментацию всего объема примитива. Задаваясь конкретными размерными параметрами допустимого износа можно на несколько порядков уменьшить количество и размер (величина равной шероховатости рассматриваемой поверхности) конечных элементов, что позволит увеличить точность расчетов.
6. Расчет величины износа анализиоуемой поверхности. Алгоритмы расчетов и математическая формализация процесса формообразования изнашиваемой поверхности должна обязательно учитывать вероятностное поле рассеивания градиента и направления действия внешних сил на исследуемую поверхность.
Методика твердотельного проектирования успешно реализована в решении задачи выбора рациональной схемы базирования. Эта сложная и многокритериальная задача, требующая автоматического анализа форм базовых поверхностей, их пространственного расположения по отношению друг к другу, а также получения данных о точности и качестве базовых поверхностей заготовки.
Основу автоматизированной системы составляет схема, систематизирующая все возможные встречающиеся в практике схемы базирования по назначению, сочетанию форм базовых поверхностей, геометрии заготовки и точности ее расположения в приспособлении. Для формирования списка возможных вариантов базирования заготовки важным моментом является геометрический анализ заготовки, так как большое влияние на выбор оказывают геометрические особенности (например, наличие литейных или штамповочных уклонов) базовых поверхностей и расположение их по отношению друг к другу. Все указанные геометрические параметры заготовки содержит ее трехмерная модель, позтому применение твердотельного моделирования позволяет решить задачу автоматического выбора схем базирования исходя из геометрических особенностей заготовки. Основным критерием выбора схем базирования является условие точности, связывающее допуск на выполняемый размер и погрешность базирования заготовки в приспособлении. При автоматизации этого этапа важ-
«
ОБРАБОТКА МЕТАЛЛОВ
ТЕХНОЛОГИЯ
ным является возможность автоматического ввода размерных характеристик заготовки (допуски на выполняемые размеры, размеры базовых поверхностей, и размеров, определяющих расположение баз относительно друг другу).
Конструктивная реализация выбранной схемы базирования включает в себя выбор мест расположения установочных элементов, определение их конструкции и размеров, при этом проводится расчет реакций опор, величины пластических и упругих деформаций в зоне контакта установочного элемента и заготовки, размерного износа опор. Для расчета значений реакций спор необходимо назначить схему закрепления, включающую расположение установочных элементов, точки приложения и направление сил зажима и сил резания. Ввод конструктором таких данных в диалоговом режиме илу с плоского чертежа является долгой и сложной задачей, поэтому использование трехмерной модели ориентации заготовки в приспособлении позволит пользователю быстро назначить схему закрепления, а автоматизированной системе автоматически получить необходимые сведения для расчета сил зажима и реакций опор.
Проектирование твердых моделей приспособлений позволяет уменьшить цикл оснащения производства технологической оснасткой в 1,5...4 раза.
С использованием подобных систем могут быть решены такие широкие производственные и научные задачи как создание прогрессивной технологической оснастки на основе разработки дополнительных специализированных инженерных приложений к открытым CAD-системам.
Полностью интегрированные в систему CAD приложе-
ния пользователя имеют прямой доступ ко всем функциям данной системы по созданию, геометрическому и физико-химическому анализу твердотельных моделей деталей и сборок, а также формированию конструкторской и технологической документации. Эти приложения позволяют автоматически решать те задачи, которые радикально влияют на качество проектируемого приспособления, но не могут быть решены стандартными модулями систем CAD. Среди этих задач можно выделить: определение рациональной схемы базирования и закрепления; выбор установочных и зажимных элементов; расчет необходимой силы закрепления; задачи построения оптимальной конфигурации изделия и процессов сборки, обеспечения заданного качества проектируемого объекта и т.д.
Применение твердотельного моделирования позволит по модели детали спроектировать необходимые станочные приспособления, получить управляющие программы для обработки на станках с ЧПУ проектируемых изделии, автоматически сформировать чертежи оснастки, спецификации и ведомости покупных вспомогательных деталей. Рациональное использование таких технологий является базой развития научно-технической культуры автоматизированного конструирования различных объектов.
Литература
1. Ильицкий В.Б., Ерохин В.В., Вдовин A.B. CAD/CAM/ САЕ-технологии в моделировании технологической оснастки. Сб. трудов междунар. научн.-техн. конф. «Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века». - Донецк: ДонГТУ, 2001, т.1. - С. 160-164.
Применение дорнования для повышения износостойкости сварочных наконечников из дисперсионно-упрочненного
медного сплава ДУКМ М 70
В.Ф. СКВОРЦОВ, доцент, канд. техн. наук, А.Ю. АРЛЯПОВ, ассистент, канд. техн. наук, И.С. ОХОТИН, аспирант, ТПУ, г. Томск, Н.В. ДАНИЛОВ, канд. техн. наук, ОАО «Уралэлектромедь», г. Верхняя Пышма, Свердловская обл., Т.Д. ШАБАНОВА, инженер, опытный завод ОАО «Проммеханомонтаж», г. Северск, Томская обл.
При дуговой сварке плавящимся электродом в защитных газах подвод электрического ток и направление электродной проволоки производятся с помощью наконечника, представляющего собой толстостенную втулку с глубоким отверстием. При сварке происходит механическое и электроэрозионное изнашивание поверхности отверстия наконечника, что ведет к нарушению режима сварки, увеличению разбрызгивания металла и ухудшению качества сварного соединения [1. 2]. В связи с этим весьма важным является поиск путей увеличения износостойкости наконечников.
По существующей технологии изготовления токоподво-дящих наконечников глубокие отверстия получают сверлением спиральными сверлами. При этом из-за низкой точности размеров глубоких отверстий и качества их поверхностного слоя (иТ11 ...Л"14, Ра~2,5 мкм) создаются далеко не оптимальные условия работы контактной пары наконечник- электродная проволока, что приводит к повы-
шенному износу и расходу наконечников. В работе [3] показано, что износостойкость наконечников из меди М1 (НВ=950) можно значительно увеличить, если подвергнуть их отверстия дорнованию. Ниже рассмотрен опыт использования этого метода обработки отверстий для повышения износостойкости наконечников из дисперсионно-упрочненного медного сплава ДУКМ М70 (НВ=1700 МПа), которые находят все более широкое применение при дуговой сварке ппавящимг.я япектродом в защитных газах.
Испытания проводили на опытной партии наконечников для сварки проволокой диаметром 1,2 мм (рис.1), изготовленных в ОАО «Уралэлектромедь». Глубокие отверстия в наконечниках сверлили спиральным сверлом диаметрсм 1,2 мм. Затем глубокие отверстия были подвергнуты двух-цикловому дорнованию однозубыми твердосплавными про-шивками (диаметры первой и второй прошивок соответственно составляли 1,295 мм и 1,324 мм). Дорно-вание глубоких отверстий выполняли с помощью специ-
