Разработка информационно-математической модели и системы автоматизированного проектирования круглых протяжек с винтовыми зубьями

На современном этапе развития машиностроительного производства основой его технического перевооружения стала автоматизация технологической подготовки производства. Все возрастающая номенклатура выпускаемых изделий, усложнение их конструкции и технологии изготовления из года в год увеличивает объем проектных и технологических работ, связанных с освоением новой продукции. В то же время условия конкуренции, необходимость увеличения срока службы изделия до того, как оно морально устареет, требуют максимального сокращения подготовительного периода. Старые методы его организации уже не могут служить полноценным источником для изыскания дополнительных резервов. Наращивание штатов инженерных служб ведет к неравномерной их загруженности и диспропорции в составе работающих в сферах проектирования и производства. Для ведущих предприятий выходом из такой ситуации стало создание автоматизированных систем технологической подготовки производства (АС ТПП).

С автоматизацией технологической подготовки производства неразрывно связана автоматизация управления производством. Это относится и к отдельным станкам с числовым программным управлением, и к станочным системам, и к структурным подразделениям в целом. Эффективное автоматизированное управление производственным процессом требует опережающего развития автоматизации конструирования и технологического проектирования, как источника поступления исходной информации.

АС ТИП в связи с большим числом решаемых задач приобрели сложную многоуровневую структуру. Подсистемы автоматизированного проектирования специальных станочных приспособлений режущих и измерительных инструментов занимают в ней важное место, так как до 80% от общей трудоемкости технологической подготовки производства составляет трудоемкость проектирования и изготовления оснастки. В среднем при запуске нового изделия требуется изготовить до пяти тысяч различных видов приспособлений и инструментов, что может надолго задержать его освоение [19].

Составной частью подпрограммы «Инструмент» является система автоматизированного проектирования режущих инструментов (САПР РИ). Её приоритетной функцией является доработка специальных инструментов применительно к конкретным условиям. Соответственно, основное место занимает аналоговое проектирование с использованием известных и хорошо отработанных конструкций. В значительно меньшей мере реализуют синтезирование, то есть формирование конструкции из известных элементов, обладающих лучшими свойствами. Эвристическое проектирование в системе АС ТПГТ вряд ли в обозримом будущем найдет место в связи с жестким лимитированием сроков проектирования и сложностью формализации задания [51,82, 107, 114].

Массированное создание САПР РИ имеет хорошие перспективы. Возможно четкое деление режущего инструмента, как объекта проектирования, на функционально определенные отдельные конструктивные элементы, которые можно разрабатывать самостоятельно. Существует достаточно совершенный математический аппарат, обеспечивающий расчетную часть проектирования. Имеющиеся функциональные связи поддаются математической формализации. В значительном объеме представлены стандартизованные и типовые решения. Стимулирующим фактором для формирования САПР РИ является и то, что проектированию режущего инструмента присуще избыточное число неизвестных по сравнению с числом уравнений, имеющихся в распоряжении конструктора. Как следствие, становится возможной вариантность решений, оптимизация которых практически неосуществима без привлечения вычислительной техники.

В создании системы САПР РИ протяжки занимают особое место. Обусловлено это комплексом причин. С одной стороны протягивание обеспечивает высокую производительность и точность обработки, достижима малая шероховатость обработанной поверхности, инструмент имеет высокую стойкость, оборудование отличается конструктивной простотой и простотой эксплуатации. Область применения протяжек в современном машиностроении непрерывно расширяется. С другой стороны протяжки сложны в изготовлении, основным материалом для них является быстрорежущая сталь с повышенным содержанием вольфрама, что определяет высокую первоначальную стоимость инструмента. Вследствие малой трудоемкости протяжной операции значительную часть её стоимости составляют затраты на инструмент. Ремонтопригодность протяжек низкая. Корректировка конструкции, выполненной в металле, практически невозможна. Условия работы затруднительны в связи с формированием стружки в замкнутом пространстве. Число параметров режущей части инструмента, подлежащих взаимному согласованию, особо велико, в силу чего вариантность расчета неизбежна. Преодолеть эти недостатки можно только особо качественным проектированием с созданием максимально совершенной конструкции.

В силу указанных обстоятельств именно этот инструмент вошел в число первых, расчет которых стали переводить на ЭВМ [57, 58]. Как следствие, САПР внутренних протяжек с кольцевыми зубьями отработан на высоком уровне. Совершенно иное положение сложилось с винтовыми протяжками, несмотря на их успешное и в достаточно больших масштабах использование при обработке отверстий малых диаметров самой малой или, наоборот, большой протяженности. При отсутствии разработок по их автоматизированному проектированию, в неполной мере сформирована и методика их расчета. Восполнить этот пробел имеет своей целью предлагаемая работа. Основанием для её постановки послужила необходимость пополнения САПР РИ Научно-производственной корпорации «Иркут».

Достижение конечной цели, т. е. создания алгоритма и программ расчета протяжек с винтовыми зубьями для цилиндрических отверстий, потребовало предварительного создания математического обеспечения с формализацией ряда связей, что является необходимым условием для устойчивой работы САПР. Эти разработки и составили первую часть работы. В её вторую.

часть, помимо общей схемы проектирования инструмента, вошли алгоритмы расчета всех его частей. Было сочтено целесообразным для режущей части, как наиболее ответственной, рассмотреть несколько вариантов её проектирования, исходя из имеющейся исходной информации и необходимости учета тех или иных ограничений.

По результатам выполненной работы автор выносит на защиту следующие положения:

• зависимости для определения конструктивных параметров рабочей части инструмента;

• методику и математический аппарат для прочностного расчета протяжек с винтовыми зубьями;

• алгоритм автоматизированного проектирования круглых протяжек с винтовыми зубьями;

ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ.

1. Сформирована математическая база, необходимая для проектирования круглых протяжек с винтовыми зубьями. Получена основная расчетная зависимость, связывающая подъем на зуб, глубину стружечной канавки, длину протягиваемого отверстия и число заходов зубьев винтовой протяжки.

2. Предложена методика расчета протяжки на прочность, рассматривающая её рабочую часть как естественно завитой стержень. Установлено распределение нормальных и касательных напряжений по поперечному сечению рабочей части.

3. Получена зависимость для расчета числа стружкоразделительных канавок, исходящая из сохранения постоянства жесткости стружки при изменении диаметра протяжки и угла наклона её зубьев.

4. Решена задача определения параметров зубьев протяжки, обеспечивающей выполнение нормируемого объема работы, что позволяет для условий ограниченного объема производства выполнить рациональную конструкцию инструмента.

5. На основании укрупненных схем, устанавливающих связи между расчетными блоками, разработан алгоритм и программа расчета круглых протяжек с винтовыми зубьями с получением рабочего чертежа инструмента.

6. Созданная программа реализует все преимущества современных технологий. Использующая язык высокого уровня C++Builder, программа адекватно реагирует на любые действия пользователя, допускает оперативное внесение изменений и дополнений. Данная программная разработка зарегистрирована в Отраслевом фонде алгоритмов и программ Государственного координационного центра информационных технологий.

7. Предложены и снабжены необходимым математическим сопровождением схемы проектирования режущей части протяжек для глубоких отверстий и для случая, когда подъем на зуб входит в число исходных параметров.

8. Разработана инструкция пользования подсистемой автоматизированного проектирования протяжек с винтовыми зубьями.

9. Экспериментальным путем подтверждена эффективность автоматизированного проектирования винтовых протяжек с использованием предлагаемых зависимостей, что позволило реализовать выполненные разработки на Иркутском авиационном заводе ОАО НПК «Иркут» и в ОАО «Иркутский завод дорожных машин».