CC BY
86
ТЕХНОЛОГИЯ ПРИБОРОСТРОЕНИЯ
УДК 004.9:678:621.833 DOI: 10.17586/0021-3454-2015-58-5-397-400
КОМПЬЮТЕРНОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ И ВИЗУАЛИЗАЦИЯ ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ НЕСТАНДАРТНЫХ ЗУБЧАТЫХ КОЛЕС ИЗ ПОЛИМЕРНЫХ КОМПОЗИЦИОННЫХ МАТЕРИАЛОВ
В. М. Медунецкий, Н. А. Романов
Университет ИТМО, 197101, Санкт-Петербург, Россия E-mail: vm57med@yandex.ru
Рассматриваются возможности использования современных систем автоматизированного проектирования при производстве малогабаритных нестандартных зубчатых колес из полимерных композиционных материалов. Использование различных программных продуктов позволяет до начала производства данных изделий подробно проработать и проанализировать весь процесс. Предлагается алгоритм для предварительного компьютерного моделирования и визуализации технологии изготовления нестандартных зубчатых колес, алгоритм проработан на примере двух их разновидностей. По результатам работы сделаны выводы о перспективности предложенных решений.
Ключевые слова: нестандартные зубчатые колеса, полимерные композиционные материалы, компьютерное моделирование, визуализация, CAD-система,
CAE-система, литье под давлением, CAE-анализ.
В современных малогабаритных передаточных механизмах широко используются зубчатые передачи как мелкомодульного ряда, так и малых значений крупномодульного ряда. К ним в настоящее время предъявляются достаточно высокие требования по уровню надежности и работоспособности. Ранее малогабаритные, прежде всего мелкомодульные, передачи выполняли в подавляющем большинстве случаев кинематическую функцию. Однако сейчас их стали зачастую использовать как силовые, работающие в напряженных (предельных) условиях [1]. Поэтому во многих случаях возникает необходимость повышения нагрузочной способности зубчатых передач, повышения их надежности и работоспособности. Одним из наиболее перспективных вариантов решения данной задачи является использование нестандартных зубчатых колес (НЗК), например двухвенцовых зубчатых колес, зубчатых колес с несимметричными зубьями, конусно-клиновых зубчатых колес и конусно-клиновых с торцевым упрочняющим диском [2, 3].
Особенностью современного периода совершенствования техники, в том числе и в области производства малогабаритных зубчатых передач, является использование для изготовления зубчатых колес пластических масс и полимерных композиционных материалов (ПКМ) [4]. Таким образом, изготовление нестандартных зубчатых колес, в связи с современными тенденциями и сложностью реализации их производства традиционными методами, целесообразно осуществлять с помощью литья полимерных композиционных материалов под давлением. В свою очередь, предварительное компьютерное проектирование литьевой формы, моделирование процесса ее заполнения и этапов работы являются необходимыми составляющими для получения нестандартных зубчатых колес надлежащего качества, а также снижения
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2015. Т. 58, № 5
398 В. М. Медунецкий, Н. А. Романов
затрат на их изготовление. В условиях современного широкого внедрения систем автоматизированного проектирования данная задача носит актуальный характер.
В настоящей статье представлены результаты разработки и апробации алгоритма для предварительного компьютерного моделирования и визуализации технологии изготовления нестандартных зубчатых колес из ПКМ (см. рисунок) с использованием систем компьютерного проектирования и инженерного анализа.
При моделировании технологии изготовлении нестандартного зубчатого колеса необходимым исходным элементом является его ЭБ-модель. Использование функционала CAD-систем по проектированию стандартных зубчатых зацеплений позволяет упростить процесс получения такой ЭБ-модели. Для создания моделей НЗК наиболее целесообразным является комбинированный метод, а именно: на первом шаге — создание в специализированной системе или программном модуле модели-заготовки, представляющей собой цилиндрическое зубчатое колесо со стандартными параметрами; на втором шаге — редактирование профиля зуба и других параметров вручную в CAD-системе.
В дальнейшем на основе созданной ЭБ-модели НЗК, импортированной в среду проектирования литьевых форм, осуществляется генерация матрицы и пуансона.
Множество компьютерных баз данных по свойствам полимерных материалов (например, CAMPUS, IDES, Plastics Technology) в совокупности с базами данных по материалам, встроенными в специализированные программные продукты для анализа процесса литья полимеров (Autodesk Simulation Moldflow, Moldex3D), позволяют получить наиболее полную информацию о свойствах материала. Выбор материала (в том числе, автоматизированный на начальном этапе процедуры) осуществляется на основе оценки многочисленных параметров и критериев. Для изготовления нестандартных зубчатых колес в ходе исследований был выбран такой материал, как полиацеталь, а именно наполненная марка KepitalTC3010 [5].
На основе выбранного материала и заданной конфигурации спроектированной трехплитной литьевой формы и литниковых каналов с тремя точками инжекции система инженерного анализа производит автоматический подбор наиболее подходящих режимов литья. С помощью систем по визуализации процессов осуществляется генерация наглядных отчетов и результатов анализа режимов литья, а также упрощенное моделирование работы литьевой формы в ходе цикла литья. Использование визуальных результатов позволяет наглядно разобраться в причинах каких-либо дефектов, а также упростить процесс изготовления нового изделия и ускорить его внедрение.
В ходе исследований был произведен обзор существующих на данный момент CAD-систем, позволяющих создавать модели зубчатых колес и осуществлять проектирование
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2015. Т. 58, № 5
Компьютерное моделирование нестандартных зубчатых колес
399
литьевых форм, а также обзор CAE-систем для моделирования и анализа процесса литья пластмасс. В результате была выбрана наиболее эффективная комбинация CAD- и CAE-систем, а именно: Autodesk Inventor и Autodesk Simulation Moldflow. Данные системы полностью совместимы, что обеспечивает возможность экономии времени за счет прямого импорта модели с литником из одной системы в другую.
В результате с использованием CAD- и CAE-систем был разработан алгоритм для предварительного компьютерного моделирования и визуализации технологии изготовления нестандартных зубчатых колес из ПКМ. Алгоритм был опробован на двух разновидностях нестандартных зубчатых колес: двухвенцовом и конусно-клиновом с торцевым упрочняющим диском. По результатам реализации алгоритма можно сделать вывод, что данная методика универсальна и с незначительными корректировками может быть использована для всех известных разновидностей нестандартных зубчатых колес. Также результаты проектирования литьевых форм и анализа режимов литья показывают, что различия в технологии изготовления разных видов нестандартных зубчатых колес из полимерных композиционных материалов незначительны. В зависимости от вида и габаритов зубчатого колеса выбираются различные плоскости разъема литьевой формы и оптимальные точки впрыска. Однако использование трехплитной литьевой формы и предложенной конфигурации литниковых каналов с тремя точками инжекции для всех разновидностей нестандартных зубчатых колес представляется наиболее приемлемым [6, 7].
Полученные результаты позволяют наметить перспективные задачи, которые необходимо проработать:
— использование отводящих литников и воздуховыводящих каналов, что позволит повысить „проливаемость изделия“ и эффективно отводить воздух для предотвращения образования воздушных пузырей на функциональных поверхностях;
— проектирование системы охлаждения.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Медунецкий В. М. Обеспечение качественных показателей комбинированных цилиндрических передач. СПб: Политехника, 2002. 160 с.
2. Медунецкий В. М., Горбунов С. А. Вопросы изготовления малогабаритных зубчатых передач с нестандартными параметрами // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. 2007. № 44. С. 181—185.
3. Тимофеев Б. П., Фролов Д. А. Расчет геометрических параметров цилиндрических эвольвентных передач с несимметричными зубьями // Теория механизмов и машин. СПб: СПбГПУ, 2005. Т. 3, вып. 2 (6). С. 15—29.
4. Старжинский В. Е., Тимофеев Б. П., Шалобаев Е. В., Кудинов А. Т. Пластмассовые зубчатые колеса в механизмах приборов. Расчет и конструирование. СПб—Гомель: ИММС НАН Беларуси, 1998. 538 с.
5. Конструкционные пластики / Полиацеталь [Электронный ресурс]: <http://www.eldi.com.ua/index.php? route=product/product&path=62&product_id=338>. 2013.
6. Оссвальд Т., Тунг Л.-Ш., Грэманн П. Дж. Литье пластмасс под давлением/ Пер. с англ.; Под ред. Э. Л. Калиничева. СПб: Профессия, 2006. 712 с.
7. Полянский А., Зорин С. Конструкция и виды пресс-форм [Электронный ресурс]: <http://www.vzrt.ru/ mould_design.php>. 2013.
Сведения об авторах
Виктор Михайлович Медунецкий
д-р техн. наук, профессор; Университет ИТМО, кафедра технологии приборостроения; E-mail: vm57med@yandex.ru магистр; Университет ИТМО, кафедра технологии приборостроения; E-mail: Shif1000@mail.ru
Никита Алексеевич Романов
Рекомендована кафедрой технологии приборостроения
Поступила в редакцию 25.11.14 г.
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2015. Т. 58, № 5
400
В. М. Медунецкий, Н. А. Романов
Ссылка для цитирования: Медунецкий В. М., Романов Н. А. Компьютерное моделирование и визуализация технологии изготовления нестандартных зубчатых колес из полимерных композиционных материалов // Изв. вузов. Приборостроение. 2015. Т. 58, № 5. С. 397—400.
COMPUTER SIMULATION AND VISUALIZATION
OF NON-STANDARD GEARS FROM POLYMER COMPOSITES MANUFACTURING TECHNOLOGY
V. М. Medunetsky, N. А. Romanov
ITMO University, 197101, Saint Petersburg, Russia E-mail: vm57med@yandex.ru
The possibilities of using modern computer-added design systems in manufacturing of compact non-standard gears from polymer composite materials are considered. An algorithm is proposed for preproduction computer simulation and visualization of the manufacturing process. Application of the algorithm to manufacturing of two types of non-standard gears is analyzed. Perspectives of implementation of the proposed approach are discussed.
Keywords: non-standard gears, polymer composite materials, computer simulation, visualization, CAD, CAE, injection molding, CAE-analysis.
Data on authors
Viktor M. Medunetsky — Dr. Sci., Professor; ITMO University, Department of Instrumentation
Technology; E-mail: vm57med@yandex.ru
Nikita A. Romanov — Graduate Student; ITMO University, Department of Instrumentation
Technology; E-mail: Shif1000@mail.ru
Reference for citation: Medunetsky V. M., Romanov N. A. Computer simulation and visualization of nonstandard gears from polymer composites manufacturing technology // Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedeniy. Priborostroenie. 2015. Vol. 58, N 5. P. 397—400 (in Russian).
DOI: 10.17586/0021-3454-2015-58-5-397-400
ИЗВ. ВУЗОВ. ПРИБОРОСТРОЕНИЕ. 2015. Т. 58, № 5
