Обзор современных систем автоматизированного проектирования

В настоящее время в деятельность изыскательских и проектных организаций быстро проникает компьютеризация, поднимающая проектную работу на качественно новый уровень, при котором резко повышаются темпы и качество проектирования, более обоснованно решаются многие сложные инженерные задачи, которые раньше рассматривались лишь упрощенно. Во многом это происходит благодаря использованию эффективных специализированных программ, которые могут быть как самостоятельными, так и в виде приложений к общетехническим программам. Деятельность по созданию программных продуктов и технических средств для автоматизации проектных работ имеет общее название - САПР.

САПР (англ. CAD, Computer-Aided Design) - программный пакет, предназначенный для проектирования (разработки) объектов производства (или строительства), а также оформления конструкторской и/или технологической документации.

Компоненты многофункциональных систем САПР традиционно группируются в три основных блока CAD, САМ, САЕ. Модули блока CAD (Computer Aided Designed) предназначены в основном для выполнения графических работ, модули САМ (Computer Aided Manufacturing) - для решения задач технологической подготовки производства, модули САЕ (Computer Aided Engineering) - для инженерных расчетов, анализа и проверки проектных решений.

Существует большое количество пакетов САПР разного уровня. Значительное распространение получили системы, в которых основное внимание сосредоточено на создании "открытых" (т.е. допускающих расширение) базовых графических модулей CAD, а модули для выполнения расчетных или технологических задач (соответствующие блокам САМ и САЕ) остаются для разработки пользователям или организациям, специализированным на соответствующем программировании. Такие дополнительные модули могут использоваться и самостоятельно, без CAD-систем, что очень часто практикуется в строительном проектировании. Они сами могут представлять крупные программные комплексы, для которых разрабатываются свои приложения, позволяющие решать более узкие задачи.

Крупнейшим в мире поставщиком программного обеспечения для промышленного и гражданского строительства, машиностроения, рынка средств информации является компания Autodesk, Inc. Начиная с 1982 года компанией Autodesk был разработан широкий спектр решений для архитекторов, инженеров, конструкторов, позволяющих им создавать цифровые модели. Технологии Autodesk используются для визуализации, моделирования и анализа поведения разрабатываемых конструкций на ранних стадиях проектирования и позволяют не просто увидеть модель на экране, но и испытать её.

• В России и странах СНГ наиболее широко распространен программный пакет AutoCAD (http://www.autodesk.ru/). Разработанный Autodesk более 20 лет назад, он долгое время отвечал самым взыскательным требованиям проектировщиков. Но на сегодняшний день, обладая богатым инструментарием и возможностями адаптации к требованиям пользователя, он уже не удовлетворяет потребностям большинства проектировщиков. Этот пакет может применяться лишь при разработке очень малых и достаточно простых проектов, автоматизируя только рутинную работу кульмана и не более того. Современному проектировщику нужно гораздо больше, чем просто быстрое и красивое выполнение чертежей.

Резание

Общая характеристика механической обработки В разделе изучаются распространенные и прогрессивные технологические методы формообразования поверхностей деталей машин точением, сверлением, растачиванием, протягиванием, фрезерованием, шлифованием, отделочными, электрофизическими и другими специальными методами обработки. Методы обработки определяют точность изготовления, шероховатость поверхности и физико-механические свойства поверхностного слоя деталей, которые имеют большое значение для достижения высоких эксплуатационных показателей изделий. Одна из главных задач современного машиностроения – дальнейшее развитие, совершенствование и разработка новых технологических методов обработки заготовок деталей машин. Ознакомьтесь с условной классификацией современных технологических методов обработки, которые наиболее широко применяют в промышленности. Рассмотрите физическую сущность методов обработки, область применения, перспективы развития и совершенствования, а также оборудование и его технологические возможности, технологичность деталей машин, конструируемых с учетом методов их изготовления.  Знания этого раздела являются базовыми для дальнейшего изучения специальных технологических дисциплин, позволяют студентам при выполнении технологической части курсовых проектов создавать конструкции с учетом целесообразности применения того или иного метода обработки заготовок, экономические более эффективного и обеспечивающего получение деталей машин высокого качества. Физические основы обработки металлов резанием В разделе изучается кинематика процесса резания, т.е. движения, необходимые для формообразования поверхностей заготовок в процессе резания. 

Для осуществления процесса резания режущему инструменту и заготовке необходимо сообщить относительные движения. Движения, принимающие непосредственное участие в срезании припуска, называют основными. Таких движений, как правило, бывает не менее двух. Движение, обеспечивающее деформирование металла и срезание припуска с заготовки, называют движением резания. Движение, обеспечивающее непрерывность врезания режущей кромки инструмента в материал заготовки, называют движением подачи.

Графическим изображением процесса формообразования поверхности является схема обработки, на которой условно показывают обрабатываемую заготовку, ее установку и закрепление на станке с указанием положения инструмента относительно заготовки и основных движений. Инструмент показывают в положении, соответствующем окончанию обработки поверхности заготовки. Обработанную поверхность на схеме выделяют красным цветом или утолщенными линиями. Движения, участвующие в формообразовании поверхности в процессе резания, рассмотрите на примере обработки наружной цилиндрической поверхности методом точения. Изучите элементы режима резания: скорость резания, подачу и глубину резания, их определения, обозначения и единицы. На примере токарного резца рассмотрите элементы и геометрию режущего инструмента. Для определения углов резца необходимо знать поверхности на обрабатываемой заготовке и координатные плоскости. Ознакомьтесь с понятием качества обработанной поверхности, которое является совокупностью ряда характеристик: шероховатости, волнистости; структурного состояния (микротрещины, надрывы, измельченная структура); упрочнения поверхностного слоя (глубины и степени); остаточных напряжений и др. Качество обработанных поверхностей определяет надежность и долговечность деталей машин в целом. Ознакомьтесь с физической сущностью процесса резания как процесса упругопластического деформирования материала заготовки, сопровождающегося ее разрушением и образованием стружки. Динамику процесса резания рассмотрите на примере обтачивания наружной цилиндрической поверхности токарным проходным резцом на токарно-винторезном станке. По составляющим силы резания ведут расчеты на прочность элементов станка, инструмента, приспособления. Рассмотрите влияние составляющих сил резания на точность обработки и качество обработанной поверхности.

Рассмотрите физические явления, сопровождающие процесс упругопластического деформирования срезаемого слоя материала при формообразовании поверхностей резанием: наростообразование, трение, тепловыделение, износ инструмента. Особое внимание обратите на влияние этих явлений на качество обработки. При одних условиях обработки эти явления положительно влияют на качество поверхности заготовок, при других – отрицательно.

Применение различных смазочно-охлаждающих средств оказывает благоприятное влияние на процесс резания и качество обработки. Изучая износ инструмента, рассмотрите его характер, критерии износа и их связь со стойкостью инструмента. Заметьте, что стойкость и соответствующая ей скорость резания должны устанавливаться с учетом высокой производительности, качества поверхности и наименьшей себестоимости обработки.  Анализируя формулу для определения основного технологического времени при обтачивании цилиндрической поверхности на токарно-винторезном станке, обратите внимание, что обработку следует вести на таких режимах резания, при которых достигается высокая точность и качество поверхности при оптимальной производительности. Инструментальные материалы должны обладать высокой твердостью (НRС 60…65), значительной теплостойкостью и износостойкостью, высокой механической прочностью и вязкостью. Для изготовления режущего инструмента применяют различные инструментальные материалы: инструментальные стали, металлокерамические (твердые) сплавы, минералокерамика, абразивные и алмазные материалы. Изучите их характеристики и область применения.  Сведения о металлорежущих станках В основу классификации станков положен технологический метод обработки. По принятой классификации станки разделены на 10 групп, каждая из которых разделена на 10 типов. Особое место в станкостроении занимают станки с программным управлением и многооперационные. Чтобы правильно разбираться в кинематических схемах станков, изучите условные обозначения, принятые ГОСТом, работу и назначение механизмов и передач станков. Определите передаточные отношения всех кинематических пар и научитесь подсчитывать частоту вращения шпинделя, величину подачи и т.д.

Последующие темы раздела изучают по единому методическому плану: характеристика технологического метода формообразования поверхностей, виды обрабатываемых поверхностей, типы станков, применяемый режущий инструмент, технологическое назначение движений, назначение узлов станков (подчеркивается, что конструкция станка должна обеспечивать необходимые движения заготовки и инструмента в процессе резания), характерные технологические схемы обработки различных поверхностей на станках данной группы, назначение и области применения различных типов станков. Заканчивают тему рассмотрением технологических требований к конструкциям деталей машин с учетом метода их обработки.

Обработка заготовок на токарных станках На станках токарной группы обрабатывают поверхности заготовок, имеющих форму тел вращения. Ознакомьтесь с характерными особенностями метода точения, с типами станков токарной группы. Уясните название и назначение узлов токарно-винторезного станка.  Изучите виды и конструкции инструментов и приспособлений, применяемых на токарных станках, и их назначение. Особое внимание уделите обработке заготовок на токарно-винторезных станках, как наиболее универсальных и широко распространенных.  Токарно-револьверные станки предназначены для обработки партии деталей сложной формы, требующих применения большого числа режущего инструмента. Станки предварительно настраивают на обработку определенной детали; они снабжены устройствами для автоматического получения размеров поверхностей заготовки. В процессе обработки инструменты вводят в работу последовательно (один за другим) или параллельно (одновременно несколько). Параллельная работа инструментов сокращает основное время обработки. Токарно-карусельные станки предназначены для обработки крупных тяжелых заготовок, у которых отношение длины (высоты) к диаметру 0,3-0,7. Карусельные станки за счет наличия нескольких суппортов и револьверной головки имеют большие технологические возможности. Многорезцовые токарные станки работают по полуавтоматическому циклу и предназначены для обработки только наружных поверхностей заготовок типа ступенчатых валов, блоков зубчатых колес и т.д. Одновременно обрабатывается несколько поверхностей различными резцами, установленными на продольном или поперечном суппортах, в зависимости от технологического назначения.

При изучении автоматов и полуавтоматов обратите внимание на высокую производительность при изготовлении крупных партий деталей и классификацию автоматов и полуавтоматов. Уясните принципиальные схемы работы токарных автоматов и полуавтоматов параллельной и последовательной обработки, их области применения и технологические возможности. Ознакомьтесь с технологическими требованиями к конструкциям деталей машин, обрабатываемых на станках токарной группы.

Обработка заготовок на сверлильных станках Сверлильные станки предназначены для получения и обработки отверстий различными режущими инструментами (сверлами, зенкерами, развертками, метчиками). Ознакомьтесь с характерными особенностями метода сверления. Изучите применяемый режущий инструмент, приспособления для закрепления заготовок и инструментов, их назначение и возможности, классификацию сверлильных станков, название и назначение узлов вертикально- и радиально-сверлильных станков. На последнем обрабатывают отверстия в крупногабаритных заготовках. Рассмотрите виды работ, выполняемых на сверлильных станках. Сверление глубоких отверстий, у которых длина больше пяти диаметров, вызывает определенные трудности. Режущим инструментом являются сверла специальной конструкции. Рассматривая схему глубокого сверления, обратите внимание на подвод смазочно-охлаждающей жидкости и отвод стружки из зоны резания.  Использование агрегатных станков позволяет вести обработку заготовок одновременно несколькими инструментами; допускают многократное использование деталей и узлов при перекомпоновке станка на выпуск нового изделия.  Обработка заготовок на расточных станках

На расточных станках обрабатывают отверстия, наружные цилиндрические и плоские поверхности, уступы, канавки, реже конические отверстия в заготовках типа корпусов. Ознакомьтесь с характерными особенностями метода растачивания. Универсальность расточного станка рассмотрите, изучая схемы обработки поверхностей различными инструментами. Схему растачивания отверстий целесообразно изучить на фоне упрощенного вида станка с рассмотрением движений его узлов и их технологического назначения. Рассматривая алмазно- и координатно-расточные станки, обратите внимание на их конструктивные особенности и технологические возможности. На алмазно-расточных станках окончательно обрабатывают отверстия алмазными и твердосплавными резцами. Координатно-расточные станки предназначены для обработки отверстий, плоскостей и уступов с высокой точностью формы, размера и взаимного расположения. Ознакомьтесь с технологическими требованиями к конструкциям деталей машин, обрабатываемых на станках сверлильно-расточной группы.

Обработка заготовок на строгальных и долбежных станках  Станки предназначены для обработки плоских поверхностей, пазов, канавок, уступов и др. Ознакомьтесь с характерными особенностями метода обработки строганием и долблением. Уясните типы строгальных станков. Изучая узлы и движения поперечно-строгального станка, обратите внимание, что процесс резания прерывистый и удаление материала происходит только при прямом (рабочем) ходе.  Рассматривая формообразование поверхностей на поперечно-продольно-строгальных и долбежных станках, обратите внимание на разницу в схемах резания. Ознакомьтесь с технологическими требованиями, предъявляемыми к конструкциям деталей машин, обрабатываемых на строгальных и долбежных станках. Обработка заготовок на протяжных станках Протягивание является высокопроизводительным методом обработки отверстий различной формы, пазов и наружных поверхностей. Ознакомьтесь с характерными особенностями метода протягивания, типами протяжных станков и видами протяжек. В формообразовании поверхности при протягивании участвует только одно движение – движение резания. Функции подачи заложены в самой конструкции протяжки. Рассмотрите конструкцию режущего инструмента на примере круглой протяжки. Изучая непрерывное протягивание, обратите внимание на высокую производительность этих станков. Ознакомьтесь с технологическими требованиями, предъявляемыми к конструкциям деталей машин, обрабатываемых на протяжных станках. Обработка заготовок на фрезерных станках

Фрезерованием обрабатывают горизонтальные, вертикальные, наклонные и фасонные поверхности, уступы и пазы различного профиля. Обработка ведется многолезвийными режущими инструментами – фрезами, имеющими большую номенклатуру по конструкции и размерам в зависимости от технологического назначения. Ознакомьтесь с характерными особенностями метода фрезерования. Изучите типы фрезерных станков, элементы и геометрию цилиндрической и торцовой фрез.

Делительные головки, используемые на фрезерных станках, служат для периодического поворота заготовок на требуемый угол при фрезеровании поверхностей различного профиля и для непрерывного их вращения при фрезеровании винтовых поверхностей.  Продольно-фрезерные станки являются многошпиндельными станками, а заготовка имеет только продольную подачу; предназначены для обработки заготовок большой массы и размеров. Изучая обработку фасонных поверхностей сложного профиля на копировально-фрезерных станках, обратите внимание, что траектория относительного движения фрезы и заготовки является результирующей скоростью двух или более движений. Ознакомьтесь с технологическими требованиями к конструкциям деталей машин, обрабатываемых на фрезерных станках. Обработка зубчатых колес на зуборезных станках Изучите сущность профилирования зубьев копированием (образование профиля зубьев фасонным инструментом) и обкаткой (огибанием) – образование профиля зубьев как огибающей последовательных положений режущих кромок инструмента относительно заготовок.  Для нарезания зубчатых колес по методу обкатки применяют червячные модельные фрезы, зуборезные долбяки и зубострогальные резцы. Червячная модульная фреза представляет собой винт с прорезанными перпендикулярно виткам канавки. Зуборезный долбяк – зубчатое колесо, зубья которого имеют эвольвентный профиль. Зубострогальный резец имеет призматическую форму с соответствующими углами заточки и прямолинейной режущей кромкой. Зуборезные станки, нарезающие зубья колес по методу обкатки, делят на типы в зависимости от технологического метода обработки (зубофрезерные, зубодолбежные, зубострогальные и т.д.).

Зубофрезерные станки предназначены для нарезания цилиндрических прямозубых, косозубых и червячных колес червячной модельной фрезой по методу обкатки. Заготовке и фрезе сообщают движения, соответствующие зацеплению червячной пары. Боковая поверхность зуба образуется в результате согласованного и непрерывного вращения заготовки и фрезы. Форма зуба по ширине цилиндрического колеса образуется движением фрезы вдоль оси заготовки, а при нарезании червячного колеса движением заготовки в радиальном направлении. При нарезании цилиндрического косозубого колеса для получения винтового зуба заготовка получает дополнительную часть оборота. Для согласования движений заготовки и инструмента в процессе нарезания зубьев на зубофрезерном станке настраивают соответствующие гитары сменных зубчатых колес: скоростную, делительную, подач и дифференциала.

На зубодолбежных станках нарезают цилиндрические зубчатые колеса внешнего и внутреннего зацепления с прямыми и косыми зубьями. Зубодолбление один из основных способов нарезания зубчатых колес внутреннего зацепления и многовенцовых колес (блоков). Нарезание зубчатых колес производят долбяками по методу обкатки, в основу которого положено зацепление двух цилиндрических зубчатых колес. Изучите нарезание конических прямозубых колес на зубострогальных станках по методу обкатки. В основу метода положено зацепление двух конических колес, одно из которых плоское. Нарезаемое коническое колесо (заготовка) находится в зацеплении с производящим плоским коническим колесом, у которого зубья ограничены плоскостями, сходящимися в общей вершине и имеют форму зуба рейки. Режущим инструментом служат два зубострогальных резца, образующие одну впадину производящего колеса. На зубопротяжных станках с делительными автоматическими устройствами последовательным протягиванием изготовляют цилиндрические зубчатые колеса с прямыми зубьями. Ознакомьтесь с технологическими требованиями к конструкциям зубчатых колес.  Обработка заготовок на шлифовальных станках Шлифование – один из самых распространенных методов окончательной обработки заготовок абразивными инструментами. Шлифование целесообразно применять для получения высокой точности и качества поверхности, а также для обработки высокотвердых материалов. Ознакомьтесь с характерными особенностями шлифования. Изучите характеристику шлифовальных и алмазных кругов. Обратите внимание на износ и правку инструмента. 

Обратите внимание на универсальность кругло- и плоскошлифовальных станков. Изучая внутришлифовальные станки,, рассмотрите формообразование внутренних цилиндрические поверхностей в неподвижной и во вращающейся заготовке. Первый способ обработки применяют при шлифовании отверстий в крупных заготовках сложной формы. Бесцентровое шлифование применяется для обработки партии однотипных деталей. Обработка ведется с продольной и поперечной подачей. Заготовка получает продольную подачу за счет поворота оси ведущего круга в вертикальной плоскости. Уясните сущность ленточного и алмазного шлифования.

Ознакомьтесь с технологическими требованиями, предъявляемыми к конструкциям деталей машин, обрабатываемых на шлифовальных станках. Отделочные методы обработки Отделочные методы применяются для окончательной обработки и придания поверхностям высокой точности, качества и повышения надежности работы. Отделочные методы обработки поверхностей (притирка, полирование, обработка абразивными лентами, хонингование, суперфиниширование) основаны на применение в качестве инструментального материала мелкозернистых абразивных порошков и паст. Ознакомьтесь с характерными особенностями методов отделки поверхностей. Особенность кинематики процесса отделочных методов обработки – сложное относительное движение инструмента и заготовки, при котором траектории движения абразивных зерен не должны повторяться.  Механизация и автоматизация технологических процессов механической обработки Важнейший фактор повышения производительности труда и снижения затрат на изготовление деталей – механизация ручных приемов работы и автоматизации управления металлорежущими станками. Основные направления автоматизации и механизации обработки: автоматизация органов управления станками, повышение производительности и точности работы станков, механизация установки заготовок на станках, разработка конструкций быстропереналаживаемых автоматов и автоматических систем. Одно из направлений в решении задач автоматизации процессов обработки – программное управление (ПУ) металлорежущими станками. Металлорежущие станки оснащаются числовыми (ЧПУ) видами программного управления (ПУ). В станках ЧПУ программа задается с помощью чисел в закодированном виде на программоносителе – перфорированной или магнитной ленте.

Нашей промышленность выпускаются станки с ПУ – токарные, сверлильные, расточные, шлифовальные, фрезерные и др. Ознакомьтесь со структурной схемой реализации программы на станках с ЧПУ Применение станков с ПУ позволяет создавать новые прогрессивные формы организации производства с использованием ЭВМ и значительно сокращать сроки освоения выпуска новых изделий. При применении станков с ПУ сокращается потребность в станках, так как один станков заменяет несколько универсальных станков.

В машиностроении широко применяют различные полуавтоматические и автоматические станки. Следующий этап развития автоматизации в машиностроении – создание автоматических станочных линий и на их базе создание автоматических цехов и заводов. Автоматические линии представляют собой систему устройств, состоящую из группы взаимосвязанных синхронно работающих станков, транспортных механизмов и контрольных приборов. Ознакомьтесь с адаптивным управлением работой металлорежущих станков, позволяющих автоматически корректировать режимы обработки и настройку станков при изменении условий обработки, необходимые для получения деталей высокого качества при высокой производительности.  Электрофизическая и электрохимическая обработка Ознакомьтесь с характерными особенностями электрофизических и электрохимических методов обработки, которые применяют для обработки высокопрочных и весьма вязких токопроводящих материалов.  Электроэрозионные методы обработки: электроискровой, электроимпульсный, анодно-механический и электроконтактный, которые основаны на явлении электрической эрозии – разрушении материалов под действием непрерывных электрических разрядов. Электроды изготовляют по форме обрабатываемых поверхностей.  Формообразование поверхностей ультразвуковым методом обработки – это удаление материала абразивными зернами, находящимися во взвешенном состоянии в жидкости и получающими большие ускорения под действием магнитострикционного эффекта. В последнее время широко применяют ультразвуковые колебания режущего инструмента при обработке некоторых металлов на металлорежущих станках (шлифовальных, сверлильных, токарных и др.). Они снижают пластическую деформацию срезаемого слоя, уменьшают силы резания, повышают качество обработанной поверхности и производительность обработки.

Сущность химической обработки – направленное разрушение металлов и сплавов травлением их в растворах кислот и щелочей. Химическим травлением получают ребра жесткости, канавки и щели и другие поверхности в тонкостенных деталях.

Электрохимические методы обработки, электрохимическое полирование, электрохимическое прошивание отверстий и полостей, электрогидравлическая, электроабразивная и электроалмазная обработка основаны на явлении анодного растворения металла заготовки при электролизе.  Обработка пластическим деформированием Ознакомьтесь с общими сведениями о чистовой обработке поверхностей пластическим деформированием (без снятия стружки). Обработка ведется в холодном состоянии под действием внешних сил, приложенных к инструменту, и основана на свойстве металлов пластически деформироваться.  Метод обработки пластическим деформированием обеспечивает снижение шероховатости поверхности, повышает твердость, износостойкость, усталостную прочность и долговечность обрабатываемых поверхностей и деталей в целом. Формообразующие способы обработки: накатывание рифлений, резьб, зубчатых колес, шлицевых валов. При изучении отделочных способов обработки (обкатывания, раскатывания и др.) обратите внимание на их простоту, обеспечивающую значительную однородность форм микронеровностей.  Высокие эксплуатационные свойства обрабатываемой поверхности достигают путем алмазного «выглаживания». Возможна обработка тонкостенных деталей и деталей сложной конфигурации. Изучите способы упрочняющей обработки деталей машин с целью повышения износостойкости.

Геометрические и конструкционные параметры лезвия инструмента и срезаемого слоя. Система координатных плоскостей и координатные плоскости.

Конструктивно-геометрические параметры режущей части инструмента