САПР режущего инструмента

В современном машиностроении всё большую роль начинают играть разнообразные САПР-системы. С их помощью период развития проекта от первоначальных эскизов до готовых изделий сокращается до нескольких дней или даже часов. Важную роль в этом процессе играет подготовка производства, а именно: выбор оборудования, назначение режимов резанья, определение очередности обработки поверхностей, выбор инструмента. Последнее из перечисленных является достаточно многогранной задачей, сравнимой по сложности с выбором конструкции самой изготавливаемой детали. В частности, выбор инструмента может включать в себя различные прочностные расчеты, температурный расчет, динамический расчет и многое другое. Производить все эти расчеты вручную было бы весьма сложно, поэтому широкое распространение получают САПР режущего инструмента, которые позволяют провести все расчеты с использованием ЭВМ. Базой для таких расчетов могут служить стандартные методики, доработанные с учетом использования их на ЭВМ для твердотельного моделирования режущего инструмента.

Важной задачей для развития САПР является выработка критериев подобия модели и реального инструмента. Для решения этой задачи необходимы программные инструменты, позволяющие численно сравнить уровни детализации моделей и определить оптимальный. Для создания таких инструментов наиболее подходят следующие методики: поэлементное проектирование, метод конечных элементов, параметрическое построение твердотельных моделей инструмента. Кроме того, приведенные методики и подходы могут быть использованы и для создания рабочих версий САПР РИ.

САПР режущего инструмента может быть использован во многих отраслях машиностроения. Объединяя все требования к подобным САПР можно выделить четыре основных задачи, связанных с проектированием и эксплуатацией режущего инструмента:

Проектирование нормализованного инструмента – типичная задача, стоящая перед конструктором-инструментальщиком. При её решении используется широкий диапазон различных государственных и отраслевых стандартов.

Выбор инструмента для заданного производственного процесса из имеющегося в наличии – на сегодняшний день эта проблема получает все большую актуальность вследствие увеличения доли мелкосерийного производства в общем объеме машиностроения.

Проектирование специального инструмента – проектирование инструмента, отличающегося условиями эксплуатации или геометрическими параметрами (формой, размерами). В подобном случае так же широко используются различные рекомендации, однако процесс требует творческого подхода к выбору параметров.

Разработка принципиально нового инструмента – наиболее сложная задача, требующая творческого подхода, большого опыта и знаний от конструктора, а так же применения современных эвристических методов и больших электронных баз данных.

Методологической базой для любого из приведенных случаев является поэтапный принцип проектирования. Суть принципа состоит в том, что инструмент рассматривается, как совокупность элементов, каждый из которых выполняет свою функцию. Каждый элемент может иметь несколько вариантов конструктивного исполнения, что позволяет создавать конструкции, наиболее подходящие к заданным условиям работы. Кроме того метод разделяет процесс проектирования на несколько этапов. В начале проектирования инструмент представляет собой минимум геометрических примитивов, связанных таким образом, чтобы наиболее точно повторять основную форму инструмента. На каждом следующем этапе модель усложняется до тех пор, пока не приобретет вид готового инструмента со всеми необходимыми геометрическими параметрами. Такой подход позволяет унифицировать весь процесс моделирования.

Вторым важным моментом в разработке САПР РИ является параметризация элементов модели. Параметрические модели могут быть построены как в виде отдельной программы, так и в виде отдельной подпрограммы (модуля) или даже набора команд-макросов или баз данных.

К достоинствам подпрограммы, как варианта исполнения инструмента расчета можно отнести следующие факторы:

Возможность использовать достаточно развитый логический и математический аппараты – позволяет проводить достаточно сложные расчеты и выполнять сложные операции.

Возможность создания интерфейса подпрограммы, дружественного к пользователю – позволяет значительно упростить освоение и использование подпрограммы.

Однако недостатком такого варианта является то, что приходится согласовывать работу модуля с работой остальной программы – то есть в случае разработки новой конструкции, прототипа которой нет в базе, работа серьезно усложняется необходимостью экспорта-импорта модели или становится вовсе невозможна.

В пользу варианта использования макросов можно отнести следующие факторы:

Работа непосредственно в CAD-программе.

Возможность создания модели, как элемента более сложной модели.

Возможность редакции команд макроса пользователем.

Возможность использования "сетевого" принципа – принципа построения программы, при котором программа состоит не из одного общего исполнительного файла, а из нескольких специализированных. Это позволяет обновлять непосредственно необходимые файлы-макросы, а не всю программу в целом.

Доступность кода исходной программы для написания приложения – нет необходимости в "открытом" коде исходной CAD-программы.

Однако, анализируя принципы, лежащие в основе САПР режущего инструмента, можно отметить следующее: с увеличением уровня детализации модели увеличивается трудоёмкость её создания и требования, предъявляемые к ЭВМ. Кроме того, некоторые геометрические параметры, присущие реальному объекту невозможно отобразить на её трёхмерной твердотельной модели. К таким параметрам относятся шероховатость, радиальное и торцевое биение, погрешность размеров, и т.д. При этом проводимые расчеты не всегда требуют подробной детализации. Учитывая всё перечисленное, актуальным становится вопрос об определении рационального уровня детализации модели, при котором модель даст приемлемую погрешность расчетов или сможет служить основанием для конструктивного выбора. Анализ источников показал, что данная тема практически не раскрыта. В то же время чёткие критерии для определения подобия модели и реального объекта являются важной составляющей при проектировании твердотельных моделей режущего инструмента. Для определения таких критериев необходимо сравнить с реальным инструментом твердотельную модель на разных уровнях детализации. Основой для численного сравнения таких моделей могут служить прочностные расчеты с применением метода конечных элементов.

Так как в основе САПР РИ предполагается использовать поэлементный принцип проектирования, целесообразным будет разбить моделирование инструмента на следующие этапы:

один или несколько примитивов:

примитивы описаны вокруг инструмента (все части инструмента находятся внутри примитива);

примитивы имеют минимальные габаритные размеры (при выполнении предыдущего условия);

минимальное количество примитивов (дополнительный примитив вводится только при значительной разнице в размерах);

модель разбивается на рабочую, переходную и крепёжную части:

рабочая часть имеет главный и вспомогательный углы в плане (при многоступенчатом инструменте – на каждой ступени), при необходимости – конусность;

Крепежная часть может иметь как хвостовое (в виде хвостовика), так и насадное исполнение (в виде втулки);

При необходимости наносятся конусности и эксцентриситеты;

На данном этапе модель не содержит шпоночных и шлицевых пазов, выточек, лысок, и т.д.;

на модель наносятся оставшиеся макроэлементы:

на хвостовик при необходимости наносятся пазы, формируется лапка, и т.д.;

на соединительную часть наносятся необходимые пазы, скругления галтели;

на режущую часть наносятся стружечные канавки, пазы, формируются передний и задний углы;

указываются скругления режущей кромки, на основе статистических данных моделируются отклонения формы модели.

Данные этапы содержат основные черты всех режущих инструментов и могут служить основой для составления алгоритма САПР. Кроме того на каждом из указанных этапов могут быть решены различные задачи, стоящие перед САПР:

1-ый этап (примитивы) – определение габаритных размеров инструмента, динамический расчет системы "инструмент – вспомогательный инструмент" или "инструмент – станок".

2-ой этап – определение жесткости инструмента, предварительные прочностные расчеты.

3-ий этап – проверочные прочностные расчеты, определение геометрических параметров модели.

4-ый этап – прочностные расчеты высокой точности, температурный расчет, создание управляющей программы для ЧПУ.