CC BY
15
УДК 621.941:64.011.56
DOI: 10.24412/2071-6168-2022-4-533-538
МОДЕЛИРОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ СИЛ РЕЗАНИЯ НА ГЕОМЕТРИЮ ДЕТАЛИ И АЛГОРИТМ АВТОМАТИЗАЦИИ КОРРЕКЦИИ УПРАВЛЯЮЩЕЙ
ПРОГРАММЫ
Ю.А. Темпель, Р.Ю. Некрасов, О.А. Темпель
Развитие цифровизации экономики в России усиливает тенденции автоматизации машиностроительного производства, включая автоматизацию технологических и производственных процессов в рамках реализации конструкторской и технологической подготовки производства. Для решения задач снижения затрат на натурные эксперименты решаются задачи модельного анализа и компьютерного моделирования цифровых двойников. Под цифровым двойником в данной работе понимается CAD-модель заготовки исследуемой детали. В связи с выше сказанным, тема является актуальной. Цель работы заключается в численном исследовании влияния сил резания на изменению геометрию детали при токарной обработки с использованием цифровых инструментов. Методами и средства исследования являются методы математического и численного моделирования, CAD/CAM/CAE системы SolidWorks Simulation, Autodesk Inventor и Siemens NX. В статье представлены результаты работы, направленных на реализацию методики автоматизированной коррекции управляющей программы на станок с ЧПУ, до металлообработки, по трансформированной CAD-модели заготовки.
Ключевые слова: математическое моделирование, формообразование поверхности, нежесткие детали, силы резания, точность обработки, металлообработка, станки с числовым программным управлением.
Автоматизация технологических и производственных процессов одна из технических и управленческих инноваций на предприятиях машиностроения, которая позволяет более эффективно и результативно реализовать техническую подготовку производства с наименьшими затратами и временными резусами.
Развитие цифровизации приобретает широкое распространение в процессах моделирования деталей при использовании цифровых инструментов, среди которых применение находят CAD/CAM/CAE системы.
Кроме того, наблюдается тенденция увеличения объема производства нежестких деталей, деталей сложной конфигурации, к которым предъявляются высокие требования к качеству поверхности.
В связи с выше представленным, тема работы актуальна.
В данной работе представлены результаты математического, компьютерного моделирования формообразования поверхности детали, и на основе полученных результатов разработан алгоритм автоматизации корректировки управляющей программы по CAD-модели заготовки до металлообработки.
Материал и методы исследования. В исследовании применялись методы математического и численного моделирования, анализа статистических данных, методы оценки точности технологических процессов, теория резания и технология машиностроения. CAD/CAM/CAE система SolidWorks Simulation, Autodesk Inventor и Siemens NX.
Результаты исследования и их обсуждения. Процесс металлообработки представляет собой сложный процесс и на него действует ряд факторов, приводящих как к случайным, так и к систематическим погрешностям.
Литературный обзор и патентный поиск показали, что большинство авторов ориентированы на целенаправленное воздействие на процесс резания с целью повышения качества обрабатываемой поверхности нежестких деталей: за счет оптимизации
533
режимов резания [1,2]; путем корректировки управляющих программ [3]; за счет диагностики износа режущего инструмента в процессе металлообработки [4,5,6] или путем иных технологических мероприятий и программных средств [7,8].
Недостатками имеющихся способов и средств являются необходимость оснащения станка с ЧПУ адаптивной системой управления и вмешательства, непосредственно, в процесс точения.
Поэтому предлагается способ ввода коррекции в управляющие программы до металлообработки по трансформированной САО-модели детали.
Так как на долю корпусных деталей и деталей типа тел вращения приходится больше половины всех обработанных деталей, поэтому за объект исследования выбран - корпус муфты, выполненный из материала Ferralium 255 SD 50.
Цель работы заключается в численном исследовании влияния сил резания на изменении геометрии детали при токарной обработке с использованием цифровых инструментов.
Эскиз исследуемой детали - корпус муфты представлен на рис. 1.
И 7
Л
\
f=
щ
ча __
w
■ ■
^ / У
у у у у / /
:
2 фаш
S / s / У / -¿1/ / Т z:
\ ' / s
.и
k
IS
1. fi.
2.5,
.-a
4
1Э
\
37
50
Рис. 1. Эскиз детали — корпус муфты
Алгоритм реализации расчета величины деформационных отклонений, возникающих от силовых воздействий, представлен на рис. 2. Он включает в себя несколько этапов, заключающихся в вводе исходных данных, среди которых информация о самой детали, заготовке и режущем инструменте.
В общем случае последовательность проведения модельных исследований и выявление величины погрешности от приложения сил резания на заготовку, а также корректировки по результатам данных действий управляющей программы для станка с ЧПУ включает в себя следующие шаги.
Создание цифрового двойника (параметрической модели) и расчетной модели в программных продуктах SolidWorks Simulation, Autodesk Inventor (см. рис. 3) и проведение исследования напряжённо-деформированного состояния заготовки под действием расчётных сил резания, задаваемая нагрузка - Pz,y,x = 2798/1392/1392 Н. Параметрическая модель, представленная на рис. 3, разбита на десять сечений по длине детали в соответствии с алгоритмом (см. рис. 2).
По результатам компьютерного моделирования и численных исследований происходит расчет величины диаметра детали в указанных десяти сечениях по длине, с учетом выявленной погрешности обработки и математического моделирования, а также разработанного программного продукта. Результаты математического моделирования представлены в работе [9].
После установления новой геометрии заготовки, вносятся корректировки в управляющую программу по трансформированной CAD-модели заготовки. Процесс генерации траектории перемещения режущего инструмента относительно модели детали в Siemens NX представлен на рис. 4.
Рис. 2. Алгоритм расчета величины деформационных отклонений, возникающих
от силовых воздействий
Рис. 3. Результаты анализа перемещений конечно-элементной модели
Рис. 4. Процесс генерации траекторий перемещения режущего инструмента относительно модели детали в Siemens NX
Выше указанные действия в соответствии с разработанным алгоритмом позволяют повысить точность металлообработки и уменьшить технологическое время на обработку.
Выводы. По результатам выполненного исследования было установлено, что:
1. Реализация технологического процесса эффективнее при вводе коррекций в управляющую программу до металлообработки по трансформированной СЛО-модели заготовки;
2. Предлагаемый алгоритм позволяет уменьшить процент несоответствующей продукции в 1,66 раза по результатам статистического анализа экспериментальных данных;
3. Автоматизация и управление технологическими процессами и производствами с применением программных средств и математического аппарата повышают результативность работ.
Список литературы
1. Лысенко А.Ф. К оценке погрешности обработки деталей при интеллектуальном управлении станком / А.Ф. Лысенко, А.И. Изюмов, О.В. Гончаров // Вестник донского государственного технического университета (Ростов-на-Дону). Том 14, №3(78), 2014. С. 96-102.
2. Кудряшов Е.А. Поиск оптимальных решений при проектировании процессов механической обработки / Е.А. Кудряшов, И.М. Смирнов, А.Е. Лебединский // Системы. Методы. Технологии. Братск: Братский государственный университет, 2014. №3(23). С. 94-98.
3. Шелихов Е.С., Сердюк А.И., Черноусова А.М. Программный комплекс для расчёта и исследования погрешности токарной обработки нежёстких заготовок // Программные продукты и системы. 2015. №1. С. 145 - 148.
4. Григорьев А.С., Никишечкин П.А. Практические аспекты разработки модуля диагностики и контроля режущего инструмента в системе ЧПУ // Вестник МГТУ СТАНКИН. 2013. №4(27). С. 65-70.
5. Григорьев А.С. Инструментарий системы ЧПУ для диагностики и прогнозирования износа режущего инструмента в реальном времени при токарной обработке / А С. Григорьев // Вестник МГТУ СТАНКИН. 2012. №1. С. 39-43.
6. Иващенко А.П. Методы и средства контроля состояния режущего инструмента // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. Издательский Дом «Академия Естествознания», Пенза. 2015. №12-3. С. 393396.
7. Мостовой В.Д., Бирюков В.П. Моделирование и обоснование эффективности двухконтурной системы управления процессом токарной обработки с использованием
быстродействующего исполнительного механизма // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. 2017. № 2 (22). С. 205-221.
8. Способы регулирования точности при обработке нежестких валов на токарных станках с ЧПУ / А.Л. Плотников, Ю.Л. Чигиринский, А.А. Шмаров, Д.С. Клюйков // Изв. ВолгГТУ. Серия «Прогрессивные технологии в машиностроении». Вып. 8: межвуз. сб. науч. ст. Волгоград: ВолгГТУ. 2012. № 13 (100). C. 39-43.
9. Темпель Ю.А. Концептуальная модель управления геометрической точностью деталей, обрабатываемых на станках с ЧПУ / Р.Ю. Некрасов, Ю.А. Темпель // Обработка металлов. Технология. Оборудование. Инструменты. 2019. Т.21, №3. С. 6-16.
Темпель Юлия Александровна, канд. техн. наук, старший преподаватель, tempeljulia@mail.ru, Россия, Тюмень, Тюменский индустриальный университет,
Некрасов Роман Юрьевич, канд. техн. наук, доцент, заведующий кафедрой, Nekrasovrj@,tyuiu.ru, Россия, Тюмень, Тюменский индустриальный университет,
Темпель Ольга Александровна, аспирант, tempel_o@mail.ru, Россия, Тюмень, Тюменский индустриальный университет
SIMULATION OF THE INFLUENCE OF CUTTING FORCES ON THE PART GEOMETRY AND ALGORITHM FOR AUTOMATION OF CORRECTION OF THE CONTROL
PROGRAM
Yu.A. Tempel, R.Yu. Nekrasov, O.A. Tempel
The development of digitalization of the economy in Russia strengthens the trend of automation of machine-building production, including the automation of technological and production processes as part of the implementation of design and technological preparation of production. To solve the problems of reducing the cost of full-scale experiments, the problems of model analysis and computer simulation of digital twins are solved. In this work, a digital twin is understood as a CAD model of the workpiece of the part under study. In connection with the above, the topic is relevant. The purpose of the work is to numerically study the effect of cutting _ forces on changing the geometry of a part during turning using digital tools. Research methods and tools are methods of mathematical and numerical modeling, CAD/CAM/CAE system SolidWorks Simulation, Autodesk Inventor and Siemens NX. The article presents the results of work aimed at implementing the methodology _ for automated correction of the control program _ for a CNC machine, before metalworking, according to the transformed CAD model of the workpiece.
Key words: mathematical modeling, surface shaping, non-rigid parts, cutting forces, machining accuracy, metalworking, machine tools with numerical control.
Tempel Yulia Aleksandrovna, candidate of technical sciences, senior lecturer, tempeljulia@mail.ru, Russia, Tyumen, Tyumen industrial university,
Nekrasov Roman Yurievich, candidate of technical sciences, head of chair, docent, nekrasovrj@,tyuiu.ru, Russia, Tyumen, Tyumen industrial university,
Tempel Olga Aleksandrovna, postgraduate, tempel_o@mail.ru, Russia, Tyumen, Tyumen industrial university
