Аэрокосмическая техника высокие технологии и инновации – 2015

УДК 621.9

СИСТЕМЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ И ПРИМЕНЕНИЕ МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ДЛЯ ПОВЫШЕНИЯ ПРОИЗВОДИТЕЛЬНОСТИ

В СПЕЦИАЛЬНОМ МАШИНОСТРОЕНИИ

С.И. Кожевников, В.Ф. Макаров

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

ООО «ПК Дэми», Пермь, Россия e-mail: Kozhevnikovsergeyigorevich@gmail.com

Статья посвящена решению проблем систем автоматизированного проектирования и применению адаптивного сквозного метода проектирования криволинейных поверхностей штампов и пресс-форм. Рассмотрен метод параметризированного проектирования поверхностей. Метод основан на использовании NURBS-кривых для конструирования и написания ЧПУ обработки. Применение NURBS-кривых и NURBS-по- верхностей, у которых параметризированы геометрические параметры, позволяет снизить период разработки изделия, снизить издержки, повысить производительность, снизить себестоимость производимого изделия и повысить конкурентную способность предприятия.

Ключевые слова: система автоматизированного проектирования, параметризированное проектирование поверхностей, NURBS кривые, штампы, пресс-формы.

Системы автоматизированного проектирования в специальном машиностроении решают многие проблемы современного машиностроения. В данный момент предприятие сталкивается с такими проблемами, как проектирование, создание компьютерных моделей с определенными геометрическими параметрами, написание ЧПУ программ для обработки криволинейных поверхностей штампов и пресс-форм.

101

Представителями деталей с криволинейной поверхностью являются пуансон, матрица и сложнопрофилируемые знаки или подвижные части – шиберы пресс-формы для литья под давлением, представленные на рис. 1, где деталью является крышкакронштейн, а материал назначается в зависимости от требуемых эксплуатационных характеристик. Материалом может являться любой полимерный материал. В связи с этим необходима повышенная точность обработки формообразующих пресс-формы. Криволинейная поверхность А должна быть выполнена в прессформе по 6-му квалитету, а сопрягаемые детали пресс-формы должны быть подогнаны друг к другу с зазором не более 0,02 мм. Исходя из этого точность выполненной отливки в зависимости от материала будет на 1–2 квалитета ниже, чем выполненная пресс-форма.

Рис. 1. Общий вид пресс-формы (а) и отлитой детали (б): 1 – матрица; 2 – пуансон; 3 – шибер; 4 – знак; 5 – деталь

Данная типовая конструкция пресс-формы с наличием криволинейных поверхностей обусловливает наличие проблемы проектирования изделия и проблемы производства изделия, объединяя в себе работу конструктора и технолога. В какой CAD-системе проектировать изделие и с помощью каких средств, чтобы был минимален период разработки изделия, период его производства и чтобы обработка сложных криволинейных поверхностей была максимально приближена к их формам

102

по 3D-модели? Целью является комплексное решение проблем проектирования и обработки.

В настоящее время на предприятии было опробовано адаптивное сквозное проектирование криволинейных поверхностей с использованием метода параметризированного проектирования.

При реализации метода и использовании ЧПУ-обработки применялись универсальные способы проектирования штампов и пресс-форм, так как развитие CAD- и CAM-систем, и особенно связей между ними, достигло повышения простоты исполь-

и той же системы кодирования геометрических данных.

Применение Solid Works.

Модель создается при помощи параметризации всех ее параметров. Таким образом, при изменении продукта цикл разработки продукта значительно сокращается [1].

Применение Pro Engineer.

Использование параметрического проектирования может значительно повысить скорость проектирования и уменьшить объем сохраняемой информации, что немаловажно, так как некоторые 3D-модели, а особенно сборки, могут занимать большое количество места на диске.

Применение NURBS-кривых.

Кривая NURBS – это неоднородно-кривой сплайн. Очень гибкая кривая, где существует сразу несколько узлов. В существующем программном обеспечении CAD/CAM сплайн-функция

ифункция Безье широко используются для создания модели

иописываются уравнением

i 0

где Pi – функция компонент векторов опорных вершин; bi,n –

базисные функции кривой Безье, называемые также полиномами Бернштейна.

103

полинома, i – порядковый номер опорной вершины.

Для построения кривых Безье высших порядков следует задавать больше промежуточных точек. Для кубической кривой, показанной на рис. 2, это промежуточные точки Q0, Q1 и Q2, описывающие линейные кривые, а также точки R0 и R1, которые описывают квадратичные кривые более простым уравнением [2]:

Рис. 2. Построение кривой Безье при t = 0,25

Существует три вида построения поверхности:

Метод поверхностной структуры – метод, основанный на треугольниках Безье с изогнутой поверхностью. Неадекватность модели поверхности структуры заключается в том, что она не соответствует описанию продукта и имеет трудности

вобобщении с CAD/CAM-системами [1, 2].

Метод описания поверхности многогранными способами, в котором поверхность разбивается на маленькие линейные участки. Недостаток модели, созданной таким методом, заклю-

104

чается в том, что она имеет интерполированный вид и не приближена к геометрии самого продукта [3].

Метод криволинейной поверхности на основании NURBS поверхности. Метод моделирования и написания ЧПУ обработки на основе NURBS поверхности является относительно сложным, так как точки обработки данных, как правило, являются результатом приближения, а не интерполяции. Такой же принцип имеют системы CAD/CAM, поэтому легко интегрировать геометрию продукта непосредственно в существующую систему CAD/CAM [3].

Выводы

Применение NURBS кривых и параметризированных NURBS поверхностей позволило незначительно повысить производительность, но удалось существенно снизить период времени от разработки до готового изделия. Существует перспектива применения NURBS кривых и параметризированных NURBS поверхностей для снижения издержек, связанных с проектировкой, снижения себестоимости производимого изделия и повышения конкурентной способности.

Библиографический список

1.Deqiang X. The Application of Reverse Engineering Technology in Mould Manufacturing // Equipment manufacturing technology. – 2013. – Vol. 12, no. 11.

2.Вишневский В.В., Рысцов И.К., Волжева М.В. Итерационный алгоритм построения кривой Безье по заданным точкам // Математические машины и системы. – 2004. – № 4.

3.Zhiliang X. Application of Reverse Engineering based on Computer in Product Design // International Journal of Multimedia and Ubiquitous Engineering. – 2014. – Vol. 9, no. 5.

105

УДК 539.43; 620.191.3

ЗАВИСИМОСТЬ ВЕЛИЧИНЫ ОСТАТОЧНЫХ НАПРЯЖЕНИЙ И ШУМОВ БАРКГАУЗЕНА ОБРАЗЦОВ ИЗ ВЖМ-4 И 09Г2С ОТ РЕЖИМОВ ФРЕЗЕРОВАНИЯ

В.Н. Трофимов, А.А. Ширяев

Пермский национальный исследовательский политехнический университет, Пермь, Россия

e-mail: tvn_perm@mail.ru

Целью статьи является оценка влияния режимов фрезерования на величину остаточных технологических напряжений в поверхности образцов, определяемых методом рентгеновской дифрактометрии, а также на уровень шумов Баркгаузена.

Ключевые слова: остаточные технологические напряжения, предварительные испытания, опытные образцы, метод рентгеновской дифрактометрии, метод шумов Баркгаузена.

Эксплуатационные свойства (износостойкость, усталостная прочность, контактная прочность и др.), характеризующие долговечность и надежность работы различных машин, зависят от исходного состояния материала и параметров качества поверхностного слоя деталей (твердости, шероховатости, остаточных напряжений первого рода), которые задаются при проектировании и формируются различными технологическими методами обработки [1–3].

Различные виды механической обработки резанием, в частности фрезерование, приводит к пластическим деформациям обрабатываемой поверхности. При пластической деформации происходит формирование дислокационных структур, изменение энергетического состояния металла и накопление латентной энергии, что ведет к образованию системы остаточных напряжений (ОН), которые могут приводить к возникновению микродефектов и, как следствие, разрушению детали [4].

106

Для исследования были изготовлены прямоугольные образцы.

В ходе эксперимента варьировались величины скорости резания, подачи на зуб и глубины резания.

Геометрические параметры канавок приведены в табл. 1.

Таблица 2

Результаты эксперимента по исследованию влияния режимов фрезерования поверхности образца из сплава ВЖМ-4

на величину ОН

На основании полученных результатов эксперимента были получены уравнения регрессии. Для расчета коэффициентов уравнения регрессии используются осредненные значения величины ОН (МПа), полученные в результате эксперимента:

R0 217,0; R1 271,1; R2 321,7; R3 453,8; R4 232,7;

R5 193,3; R6 342,4; R7 848,6,

107

где Ri – члены матрицы средних результатов эксперимента на образце из сплава ВЖМ-4.

В качестве аргументов уравнения регрессии используются варьируемые параметры (режимы резания): 1) x1 – скорость резания, м/мин; 2) x2 – подача на зуб, мм/зуб; 3) x1 – глубина резания, мм.

Таблица 3

Результаты эксперимента по исследованию влияния режимов фрезерования поверхности образца из сплава 09Г2С

на величину ОН

Таблица 4

Результаты эксперимента по исследованию влияния режимов фрезерования поверхности образца из сплава 09Г2С

на величину МП ШБ

108

Результаты проведенной работы показывают, что при обработке резанием можно управлять величиной (МП, ОН) и знаком (ОН) и получать их требуемое значение путем выбора основных параметров технологического процесса. МП и ОН также имеют определенную функциональную связь, из чего следует, что при дальнейших исследованиях значения МП можно связывать со значением ОН в определенном диапазоне.

На основании данных эксперимента можно заметить, что на величину ОН оказывает влияние не только каждый из факторов в отдельности (скорость резания, подача на зуб, глубина резания), но и различное их сочетание. В результате варьирования этого сочетания с использованием теории планирования эксперимента было составлено уравнение регрессии (1). Данное уравнение позволит предсказывать уровень ОН в материале ВЖМ-4 при определенных режимах фрезерования. При проведении опытов на образцах из любых других материалов уравнение легко адаптируется и уточняется, поэтому может быть использовано для широкого спектра экспериментов.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ (договор № 02.G25.31.0016) в рамках реализации Постановления Правительства РФ № 218 «О мерах государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по создания высокотехнологичного производства».

Библиографический список

1. Маталин А.А. Качество поверхности и эксплуатационные свойства деталей машин. – М.; Л.: Машгиз, 1956. – 239 с.

109

2.Суслов А.Г. Технологическое обеспечение параметров состояния поверхностного слоя деталей. – М.: Машиностроение, 1987. – 193 с.

3.Лесин С.В. Влияние качества поверхностного слоя деталей после механической обработки на процесс формирования заданных свойств при азотировании высоколегированных кор- розионно-стойких сталей: дис. ... канд. техн. наук. – Саратов, 2006. – 177 с.

4.Студалл.Орг [Электронный ресурс] // Наклеп металла поверхностного слоя при механической обработке. – URL: http://studall.org/all-41001.html.

110