Моделирование динамики фрезерования сложнопрофильных деталей

УДК 621.914.7

МОДЕЛИРОВАНИЕ ДИНАМИКИ ФРЕЗЕРОВАНИЯ СЛОЖНОПРОФИЛЬНЫХ ДЕТАЛЕЙ

М.Н. Богомолов

Рассмотрены этапы подготовки управляющей программы для станка с ЧПУ при помощи современных СЛБ/САМ-программных комплексов. Приводится новая методика численного моделирования процесса пространственного фрезерования слож-нопрофильных податливых деталей с учетом их динамических характеристик и особенностей процесса фрезерования, обосновывается необходимость дальнейшей разработки алгоритмов и программного обеспечения согласованные с предложенной методикой.

Ключевые слова: фрезерование на станках с ЧПУ, СЛМ-система, отладка управляющей программы, разработка технологического процесса.

В настоящее время в машиностроении выдвигается задача сокращения временных, трудовых и материальных затрат при сохранении качества изделий, их конкурентоспособности, что требует совершенствования методики численного моделирования процесса фрезерования.

Исследованиями в области проектирования технологических операций занимались такие ученые как Л. А. Васин, С. А. Васин, Н.В. Еремин, Ю.В. Кирилин, В. А. Тараненко, Н.И. Ташлицкий, Е.И. Федин, А.С. Ямни-ков, О.А. Ямникова [1, 2, 3, 4].

А.С. Ямников и О.А. Ямникова называют вибрации одной из проблем при обработке деталей типа нежестких заготовок, которые возникают вследствие непостоянства силы резания [4]. По мнению Г.Т. Быкова, А.С. Ямникова, О.А. Ямниковой, Н.Б. Дорохина, чтобы оценить, будут ли возникающие динамические погрешности формы находиться в зоне допуска, целесообразно использовать имитационное моделирование [5].

По мнению С.А. Васина, проектирование и внедрение технологических операций, как правило, сопровождаются необходимыми доработками и корректировками, что приводит к большим временным затратам как со стороны технолога, так и оператора, обслуживающего станок [6].

Согласно [7, 8] процесс подготовки управляющей программы для станка с ЧПУ при помощи современных CAD/САМ-программных комплексов, как правило, состоит из следующих основных этапов:

а) разработка электронного чертежа и 3Б CAD-модели детали и заготовки;

б) проектирование технологического процесса обработки заготовки в САМ-системе;

в) верификация созданной траектории движения инструмента в САМ-системе;

г) создание управляющей программы для выбранного станка с ЧПУ средствами САМ-системы;

д) контрольная обработка детали по разработанной программе и проверка соответствия детали заданным требованиям;

е) оптимизация ТП с целью повышения производительности обработки при сохранении качеств;

ж) передача отлаженной программы для серийной обработки детали.

На этапе «б» «проектирование технологического процесса обработки заготовки в САМ-системе» ЭБ-модель заготовки и детали импортируется в САМ-систему, технолог-программист выбирает поверхности и элементы, подлежащие обработке в рамках проектируемого технологического процесса (далее - ТП), назначает стратегию обработки, режущий инструмент и режим обработки. Предварительный режим обработки назначается на основе рекомендаций и опыта технолога. Результатом этапа являются траектория движения инструмента и предварительные режимы обработки.

На этапе «в» «верификация созданной траектории движения инструмента в САМ-системе» производится геометрическое моделирование процесса формирования поверхностей обрабатываемой детали и сравнивается результат с желаемой формой детали. Дополнительно производится анализ возможных столкновений инструмента, патрона и шпинделя с элементами обрабатываемой детали и станка при движении по рассчитанной траектории. Обнаруженные на данном этапе ошибки программист-технолог исправляет, возвращаясь к этапу «б».

На этапе «д» «контрольная обработка детали по разработанной программе и проверка соответствия детали заданным требованиям» Для анализа соответствия формы обработанной детали конструкторским требованиям на данном этапе могут быть применены координатно-измерительные машины и другие средства. В случае, если обнаружены отклонения размеров или качества обработанной поверхности, не укладывающиеся в допуск, технолог исправляет недочеты управляющей программы, возвращаясь на этап «б».

Этап подготовки «е» «оптимизация ТП с целью повышения производительности обработки при сохранении качества», хотя и не является обязательным, желателен, поскольку позволяет повысить экономическую эффективность производства. Фактически на данном этапе должно происходить экспериментальное определение допустимых пределов интенсивности режимов обработки за счет многократной корректировки управляющей программы (далее - УП), т.е. прохождения этапов «б» - «е».

Как следует из описанной схемы работы, процедура отладки ТП содержит в своей структуре Э уровня коррекции УП станка. При этом с повышением уровня растет сложность внесения изменений.

На первом уровне выявляются грубые ошибки технолога, коррекция происходит виртуально - технолог изменяет программу в САМ системе и ее же встроенными средствами производит верификацию, таким образом, использование станка и реальная обработка на данном этапе исключены, т.е. данный этап отладки является относительно «дешевым».

На втором уровне появляется возможность выявить и устранить неточности ТП, связанные с упругим поведением системы (отжатия, отклонения формы) и вибрациями инструмента или обрабатываемой детали (плохое качество поверхности, вибрационные отметины). Поскольку существующие в настоящий момент САМ-системы не имеют возможности учитывать упругие и динамические характеристики системы «инструмент -деталь», второй этап отладки УП традиционно основан на реальной обработке пробных деталей на выбранном станке с ЧПУ. Ситуация усложняется тем, что технолог не имеет информации о динамическом и упругом поведении обрабатываемой заготовки и инструмента и соответственно не может осуществлять рациональную корректировку параметров ТП (например, с целью минимизации уровня вибраций [9]).

Таким образом, данный этап настройки УП требует большего времени и ресурсов, чем первый.

На третьем этапе настройка дополнительно осложняется высокой вероятностью возникновения неблагоприятного (неустойчивого) вибрационного характера обработки, обусловленного интенсификацией режимов, приводящей к увеличению уровня усилий резания.

Третий уровень отладки в рамках данной схемы подготовки ТП за редкими исключениями не выполняется из-за высоких затрат и низкой вероятности положительного результата (увеличения производительности при сохранении качества обработки).

Таким образом, подготовленный к внедрению ТП часто оказывается пригодным с точки зрения итогового качества детали, но недостаточно эффективным с точки зрения производительности.

Описанные выше трудности при отладке ТП тем серьезнее, чем выше сложность геометрической формы и меньше жесткость обрабатываемой заготовки. Если заготовка обладает сложной формой и высокой податливостью, количество итераций на втором и третьем уровнях отладки может оказаться достаточно большим.

С целью упрощения отладки УП для многоосевых станков с ЧПУ при производстве сложнопрофильных податливых деталей предлагаем ввести в процедуру разработки ТП этап численного моделирования процесса фрезерование на основе динамических моделей.

Использование соответствующего программного комплекса позволит оценить уровень вибраций, отклонение формы и качество поверхности до проведения реальной обработки на станке и в случае необходимости принять меры для коррекции УП с целью выбора оптимальных режимов.

Таким образом, этапы «б» - «г» не изменились, на этапе «а» требуется разработка, помимо CAD-моделей, также и конечно-элементных моделей детали и заготовки, а этапы «д» - «ж» выглядят следующим образом:

д) моделирование динамики процесса обработки детали фрезерованием;

е) корректировка УП с целью повышения производительности обработки при сохранении качества;

ж) контрольная обработка детали по разработанной УП;

з) передача отлаженной программы для серийной обработки

детали.

Результатом моделирования на этапе «д» «моделирование динамики процесса обработки детали фрезерованием» являются уровень вибраций детали и инструмента, качество обработанной поверхности, отклонения от желаемых размеров детали. При необходимости оптимизации ТП (выбора производительных режимов) проводится многократное моделирование с различными значениями режимов обработки.

Корректировка на этапе «е» «корректировка УП с целью повышения производительности обработки при сохранении качества» проводится на основании данных, рассчитанных на этапе «д», при этом уровень вибраций минимизируется в основном за счет рационального выбора скорости вращения инструмента и уровня подачи, а отклонения формы поверхности -путем корректировки координат положений инструмента в УП. Выбор новых режимов осуществляется на основе методов теории оптимального проектирования с использованием результатов моделирования динамики обработки так, чтобы при заданных ограничениях обеспечить высокую производительность обработки. Таким образом, второй и третий уровни отладки объединены общим алгоритмом и проводятся при помощи численного моделирования.

Несмотря на то, что в данном случае также остается этап «ж» «контрольная обработка детали по разработанной УП», где проводится проверка качества обработки непосредственно на станке с последующей возможной корректировкой УП, за счет предлагаемого подхода удается существенно снизить количество итераций «ручной» доработки УП, повысить ее общее качество и производительность обработки.

Схематично данная методика представлена на рисунке.

Схема алгоритма численного моделирования процесса пространственного фрезерования

Таким образом, разработка методики численного моделирования процесса пространственного фрезерования сложнопрофильных податливых деталей с учетом их динамических характеристик и особенностей процесса фрезерования (механизм запаздывания, регенерация поверхности детали) является актуальной и имеющей практическую ценность задачей. Для ее реализации необходимо разработать алгоритмы и программное обеспечение, согласованные с предложенной методикой.

Список литературы

1. Васин Л. А., Федин Е.И., Ямникова О. А. Математическая модель силы резания с учетом колебания подсистемы "инструмент - заготовка"// СТИН. 1998. № 8. С. 8 - 11.

2. Кирилин Ю.В., Еремин Н.В. Аналитическое исследование виброустойчивости станка // СТИН. 2005. № 6. С. 3 - 7.

3. Ташлицкий Н.И., Тараненко В. А. Первичный источник возбуждения автоколебаний при резании металлов // Вестник машиностроения. 1960. № 2. С. 45 - 50.

4. Ямников А.С., Ямникова О.А. Определение условий виброустойчивого точения нежестких заготовок многорезцовыми головками // Прогрессивные технологии и системы машиностроения. Донецк, 2016. № 2 (53). С. 168 - 177.

5. Vibrational stability in turning thin-walled pipe by multicutter heads / G.T. Bykov, A.S.Yamnikov, O.A. Yamnikova, N.B. Dorokhin // Russian Engineering Research. 2010. 30 (3) P. 296 - 299.

6. Васин С.А. Прогнозирование виброустойчивости инструмента при точении и фрезеровании. Сер. «Библиотека инструментальщика». М.: Машиностроение, 2006. 384 с.

7. Ловыгин А. А., Васильев А.В., Кривцов С.Ю. Современный станок с ЧПУ и CAD/САМ система. М.: Эльф ИПР, 2006. 286 с.

8. Станкевич С.А. Разработка на основе метода конечных элементов модели и способа управления траекторией рабочего движения инструмента при фрезеровании сложнопрофильных деталей (на примере лопаток ГТД): дис. ... канд. техн. наук. Рыбинск, 2008. 160 с.

9. Каширин А.И. Исследование вибраций при резании металлов. М.: Изд-во АН СССР, 1944. 282 с.

Богомолов Максим Николаевич, магистрант, max2062@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

MODELING THE DYNAMICS OF THE MILLING OF COMPLEX PARTS AND ITS APPLICA TION TO DETERMINE THE RA TIONAL MODES OF PROCESSING

M.N. Bogomolov

The article considers the stages of preparation of the control program for the CNC machine with the help of modern CAD/CAM software systems. Is a new method of numerical simulation of the spatial process milling complex-compliant parts based on their dynamic characteristics and features of the milling process, the necessity offurther development of algorithms and software agreed with the proposed methodology.

Key words: copy milling, CNC, CAM-system, debugging of the control program, development of the technological process.

Bogomolov Maksim Nikolaevich, undergraduate, max2062@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University