Разработка конструкции и технология изготовления приспособления для обработки крупногабаритных деталей

Исходя из материала, типа производства и программы выпуска в качестве метода получения заготовки применяем сортовой прокат. Этот способ является наиболее экономичным при заданном объеме выпуска деталей.

Массу заготовки принимаем 5,7 кг, массу детали принимаем 3,5 кг.

Коэффициент использования материала определяется по формуле:

Ku.м.=mд /m3, (3.3)

где mд - масса детали, кг;

m3 - масса заготовки, кг.

Окончательно в качестве заготовки по ГОСТ 2590-88 принимаем сортовой прокат: 45х450 мм.

3.1.4 Выбор маршрута обработки

Основными формообразующими поверхностями детали являются цилиндрические поверхности. В качестве первых формообразующих технологических операций используем фрезерно-центровальную и токарные.

Окончательная высокая точность конструкции детали обеспечивается на круглошлифовальной операции.

Последовательность обработки:

1 - фрезерно-центровальная операция;

2 - токарно-фрезерная операция (ЧПУ);

3 - токарно-фрезерная операция (ЧПУ);

4 - токарно-фрезерная операция (ЧПУ);

5 - слесарная операция;

6 - термическая операция;

7 - круглошлифовальная операция

8 - круглошлифовальная операция

9 - круглошлифовальная операция;

10 - химическое оксидирование;

11 - контрольная операция.

Каждая операция может содержать один или несколько технологических переходов.



3.1.5 Предварительное нормирование времени операций

Нормирование выполняем с учетом производительности, методов обработки и величины снимаемого припуска, используя приближенные формулы.

Результаты вычислений заносим в таблицу 3.1

Таблица 3.1- Штучно-калькуляционное время

Операция	Тш.к., мин
фрезерно-центровальная операция;	3
токарно-фрезерная операция (ЧПУ);	7
токарно-фрезерная операция (ЧПУ);	10
токарно-фрезерная операция (ЧПУ);	14
круглошлифовальная операция	8
круглошлифовальная операция	7
?	49

3.1.6 Выбор типа и формы организации производства

Для выбора типа производства используем коэффициент загрузки оборудования, поскольку сведения о загрузке оборудования другой продукции отсутствует (кроме заданной детали).

Коэффициент загрузки определяется:

, (3.4)

где - среднее время обработки равно 1,86 мин;

N - годовая норма выпуска 5000 шт.;

Fд - действительный годовой фонд времени 3904 ч,

(3.5)

Кз.о.=1,86?5000/60?3904=0,039

Вычислив коэффициент загрузки оборудования и сравнив его состандартным, приходим к выводу, что для изготовления данной детали подходит среднесерийный тип производства.

Формы организации технологических процессов в соответствии с ГОСТ 14312-74 зависят от установленного порядка выполнения операции технологического процесса, расположение технического процесса, расположения технического оборудования, количество деталей в партии и движение в процессе изготовления, а также от применяемого средства автоматизации.

Для условий выбранного типа производства одной из наиболее рациональных форм организации производства является специализированный участок (рисунок 10.1). Наименование участка связано с предполагаемой номенклатурой изготавливаемых деталей-участок по изготовлению деталей типа тел вращения.

Основные производственные площади.

10 м2•19=190 м2.

Общая площадь участка ориентировочно в 3 раза больше-570 м2.

Транспортный проезд-2,5•36=90 м2.

Грузовая площадка-20 м2.

Склад заготовок-20 м2.

Склад готовой продукции-10 м2.

Кладовые-20 м2.

Бытовые помещения-15 м2.

Кабинет-10 м2.

3.1.7 Расчет припуска на обработку

Припуски имеют очень важное значение в процессе разработки технологических операций механической обработки деталей. Правильное назначение припусков на обработку заготовки обеспечивает экономию материала и трудовых ресурсов, качество выпускаемой продукции.

Выбор и расчёт припусков на обработку производится расчётно-аналитическим методом профессора Кована [7]:

,мм, (3.6)

где Zmin - минимальный (гарантированный) припуск на обработку, мм;

Rz - высота микронеровностей, мм;

Т - глубина дефектного поверхностного слоя, мм;

Учитывая форму заготовки и требования к качеству поверхности, для расчёта припуска выберем диаметр 42 мм. По этому характерному размеру детали строим схему расположения допусков и припусков (для двух операций: токарной и шлифовальной), которая приведена на рисунок 3.1.

.

.

Гарантированный припуск под шлифовальную обработку

Гарантированный припуск под токарную обработку

Максимальный припуск под фрезерную обработку

Максимальный припуск под шлифовальную обработку

Расчётный номинальный размер заготовки

На рисунке 3.1 показана схема расчета припуска



Рисунок 3.1 - Схема для расчёта припуска

На остальные размеры и поверхности припуски определяются аналогично по методике Кована.

3.1.8 Выбор технологического оборудования

В соответствии с исходными данными и требованиями выбираем основное технологическое оборудование. Исходные данные для выбора оборудования:

- вид обработки;

- габаритные размеры детали;

- размеры обрабатываемой поверхности;

- пространственное расположение обрабатываемой поверхности;

- точность обработки;

- количество инструментов, используемых в одной наладке станка;

- диапазон скоростей и рабочих подач;

- тип производства.

Полное наименование и модели металлорежущих станков приведены в таблице 3.1.

Таблица 3.1 - Наименование используемых металлорежущих станков

№ операции	Наименование операции	Станок
1	Фрезерно-центровальная	Фрезерно-центровальный станок мод. МР-71
2	Токарно-фрезерная (ЧПУ)	Токарно-фрезерный станок Metalmaster MML 250x550 M
3	Токарно-фрезерная (ЧПУ)	Токарно-фрезерный станок Metalmaster MML 250x550 M
4	Токарно-фрезерная (ЧПУ)	Токарно-фрезерный станок Metalmaster MML 250x550 M
5	Кругло-шлифовальная	Круглошлифовальный станок мод.3А164
6	Кругло-шлифовальная	Круглошлифовальный станок мод.3А164

Технические характеристики металлорежущего оборудования

1. Фрезерно-центровальный станок мод. МР-71:

- Габаритные размеры фрезерного станка составляют, мм:

длина- 2640

ширина -1450

высота -1720

- Наибольшая и наименьшая длина обрабатываемых заготовок деталей, мм:

200-500

- Диаметр обрабатываемой заготовки детали, мм: 25-125

- Число скоростей шпинделя режущего инструмента 6

- Мощность электродвигателя главного движения, кВт 17

2. Токарно-фрезерный станок Metalmaster MML 250x550 M:

-Maксимальный диаметр обработки над станиной, мм 250

- Расстояние между центрами, мм 500

- Частота вращения шпинделя, об/мин 125-2000

- Диапазон метрической резьбы, мм 0.4-3.5

- Ход пиноли, мм 70

- Конус задней бабки МК 2

- Конус шпинделя МК 4

- Диаметр сквозного отверстия шпинделя, мм 21

3. Круглошлифовальный станок мод. 3А164:

- Наибольший диаметр шлифования, мм 360

- Наибольшая длина шлифования, мм 1800

- Скорость перемещения стола, м/мин 0,1-5

- Число оборотов изделия, мин-1 30-180

- Число оборотов шлифовального круга, мин-1 890-1300

- Мощность электродвигателя главного движения, кВт 13

3.1.9 Выбор приспособлений

Станочные приспособления для оснастки технологических операций выбраны по методике, приведённой в [8,14].

Исходные данные для выбора станочных приспособлений:

- вид обработки;

- габаритные размеры станка;

- материал обрабатываемой детали;

- способ настройки на размер режущего инструмента;

- количество одновременно устанавливаемых деталей;

- тип силового привода;

- точность обработки;

- тип производства.

Выбранные станочные приспособления и их краткая характеристика приведены в таблице 3.2.

Таблица 3.2 - Станочные приспособления и их краткая характеристика

№ операции	Наименование операции	Наименование приспособления	Техническая характеристика
1 6	Фрезерно-центровальная	Тиски самоцентрирующиеся	Н = 120 мм
2-5 8	Токарная Фрезерная Круглошлифовальная	Поводковый патрон и задний центр	D = 140 мм

3.1.10 Выбор режущего инструмента

Выбор режущих инструментов для основных переходов при обработке детали выполнен по методике, изложенной в [8,11,12,13].

Исходные данные для выбора инструментов:

- вид обработки;

- форма и размеры обрабатываемой поверхности;

- точность обрабатываемой поверхности;

- марка и свойства обрабатываемого материала;

- материал режущей части;

- тип производства.

Наименование инструментов, применяемых в процессе изготовления, приведено в таблице 3.3.

Таблица 3.3 - Используемые режущие инструменты.

№ пере-хода	Наименование перехода	Наименование инструмента	Материал режущей части	Примечания
1.1	Фрезеровать торец	Фреза торцевая насадная мелкозубая со вставными ножами, оснащёнными пластинами из твёрдого сплава 2214-0335 ГОСТ 1092-80	Т5К12	D = 160 мм; d = 50 мм; В = 49 мм; Z = 10.
1.2	Центровать отверстие	Сверло центровочное А10 ГОСТ 14952-75	Р6М5	D = 25 мм; d = 10мм; l = 14,2 мм; .
2.1 2.2 2.3	Точить контур предварительно	Резец упорно-проход-ной черновой по ГОСТ 21151-75	Т5К10	ц = 90?; ц1 = 10?.
3.1 3.2 3.3	Точить контур окончательно	Резец упорно-проход-ной чистовой по ГОСТ 21151-75	Т15К6	ц = 90?; ц1 = 10?.
4.1	Нарезать резьбу М30х2-6g	Резец резьбонарезной по ГОСТ 21151-75	Т15К6	ц = 90?; ц1 = 10?.
5.1	Фрезеровать торец в квадрат	Фреза концевая ГОСТ 6396-78	Т15К10	D = 7 мм; d = 8 мм; L = 60 мм; l = 16 мм; Конус Морзе 2.
6.1	Сверлить отверстие Ш 4,9 мм	Сверло спиральное Ш 4,9 мм ГОСТ 10903-77	Р6М5	d = 4,9мм; L = 220 мм; l = 120мм.
7.2 7.3	Фрезеровать шпоночный паз 32х6х4 180х6х4	Фреза шпоночная 2235-0113 ГОСТ 6396-78	Т5К10	D = 6 мм; d = 16 мм; L = 105 мм; l = 20 мм; Конус Морзе 2.
8.1	Шлифовать шейки вала: Ш 35 мм Ш 32 мм	Круг шлифовальный ПП 250Ч40Ч80 25А25 СМ1-5-К5/35 м/с ГОСТ 2424 - 83	Электрокорунд белый марки 25А Связка керамическая	D = 250мм; d = 80 мм; Н = 40 мм.

3.1.11 Выбор режимов резания

Выбор режимов резания выполнен по методике, изложенной в [7,8].

Исходные данные для выбора режимов резания:

- вид обработки;

- обрабатываемый материал;

- материал режущей части инструмента;

- точность обработки;

- шероховатость обрабатываемой поверхности;

- тип производства.

Порядок выбора режимов резания для станков с ЧПУ: V; n; So; F; t;

Режимы резания - это управляемые параметры (факторы).

1. V - скорость резания - определяется либо по типовым значениям, принятым для данного типа обработки, либо рассчитывается с учётом стойкости инструмента и с учётом выбранных глубины и подачи.

, м/с, (3.7)

где СV - начальное условие (эмпирический коэффициент);

Т - стойкость инструмента;

t - глубина резания;

S - подача при резании;

m, x, y - эмпирические показатели степени, обычно не более 1.

Типовыми режимами резания являются следующие:

Черновая обработка V = 100 м/мин,

Чистовая обработка V = 150м/мин,

СверлениеV = 25 м/мин.

2) n - частота вращения шпинделя определяется по формуле:

, мин-1, об/мин. (3.8)

где Dmax - диаметр обрабатываемой заготовки, мм.

3) So- подача - является силовым режимом для черновой или предвари-тельной обработки.

Типовыми режимами резания являются следующие:

Черновая обработка S0 = 0,2-0,4 мм/об,

Чистовая обработка S0 = 0,02-0,05 мм/об,

СверлениеS0 = 0,01Dmax мм/об (1% от отверстия).

4) F - скорость подачи определяется по формуле:

F = So.n, мм/мин (3.9)

5) t - глубина резания - при однопроходной обработке, которая является предпочтительной, определяется величиной максимального припуска. Кроме того, она определяется величиной режущей кромки инструмента и точностью обработки.

Типовыми режимами резания являются следующие:

Наружная обработка tmax = 4 мм,

Внутренняя обработка tmax = 2 мм.

Для универсальных станков порядок назначения режимов резания следующий: T; S; V; n

Режимы обработки для круглошлифовальной операции приведены в таблице 3.4.

Таблица 3.4 - Режимы обработки для круглошлифовальной операции

№	Наименование инструмента	Vкр. м/с	Vзаг. м/мин	Sпрод., дв. х./мин	Sпопер., мм
1	Круг шлифовальный ПП 250Ч40Ч80 25А25 СМ1-5-К5/35 м/с ГОСТ 2424 - 83	35	25	20	0,3

Выбранные режимы резания для токарных, сверлильных и фрезерной операций приведены в таблице 3.5.

Таблица 3.5 - Режимы резания для токарных, сверлильных и фрезерной операций

№	Наименование инструмента	Режимы
		V, м/мин	n, об/мин	Sо(SZ), мм/об (мм/зуб)	F, мм/мин	t, мм
1.	Фреза торцевая D=160мм, Т5К12	100	315	2 (0,2)	630	1
2.	Сверло центровочное А10, Р6М5	15	500	0,1	50	-
3.	Резец упорно-проходной черновой, Т5К10(Ш35,40)	100	500	0,2	71	2,5
4.	Резец упорно-проходной черновой, Т5К10 (Ш 28,34,37)	100	500	0,2	100	4;1,5;3
5.	Резец упорно-проходной черновой, Т5К10 (Ш 40,43)	100	500	0,2	100	1,0; 1,5
6.	Резец упорно-проходной чистовой, Т15К6 (Ш35,40 )	140	400	0,05	20	2,4
7.	Резец упорно-проходной чистовой, Т15К6 (Ш 37,34,28)	140	500	0,05	25	2,4;2;2
8.	Резец упорно-проходной чистовой, Т15К6 (Ш 43,40)	140	710	0,05	35,5	0,4; 2,4
9.	Резец резьбонарезной, Т15К6 (Ш 30)	140	500	0,05	25	2
10.	Спиральное сверло Ш 4,9, Р6М5	25	355	0,2	70	2,45
11.	Метчик Ш 6, Р6М5	25	355	0,2	70	0,55
12.	Фреза концевая Т5К10	400	12	20	0,03	7

3.1.12 Уточненное техническое нормирование времени операций

Для основных операций технологического процесса (токарных, фрезерной, сверлильных, плоскошлифовальной, внутришлифовальной) определяем нормы штучно-калькуляционного времени по методике, изложенной в [7,8].

Штучно-калькуляционная норма времени определяется по формуле:

Тшт-к = tо + tв + tтех + tорг+ tп + tп.- з., мин, (3.10)

где tо - основное (машинное) время - рассчитывается для всех основных технологических переходов;

, мин (3.11)

tв - вспомогательное время - продолжительность выполнения вспомогательных приёмов и холостого хода;

tтех - время на техническое обслуживание;

, мин (3.12)

tорг - организационное время - время на снабжение рабочего места деталями и инструментом;

, мин (3.13)

tп - время перерывов;

, мин (3.14)

tп-з. - подготовительно-заключительное время - время на подготовку к новой партии деталей.

, мин, (3.15)

гдер - количество деталей в партии;

N - годовая программа.

Нормы времени по операциям приведены в таблице 3.8.

Таблица 3.8 - Нормы времени на выполнение операций

№ операции	Наименование операции	tо, мин	tв, мин	tтех, мин	tорг, мин	tп, мин	Тшт-к, мин
1.	Фрезерно-центровальная	0,35	0,5	0,035	0,04	0,16	1,085
2.	Токарно-фрезерная ЧПУ	9,0	0,5	0,9	0,95	0,38	11,73
3.	Токарно-фрезерная ЧПУ	9,8	0,5	0,98	1,03	0,257	12,23
4.	Токарно-фрезерная ЧПУ	10,73	0,25	1,073	1,1	0,44	13,6
5.	Круглошлифовальная	8,5	0,5	0,85	0,9	0,225	11,8
6.	Круглошлифовальная	9,4	0,5	0,94	0,99	0,25	14,53

3.1.13 Выбор средств измерения и контроля

Средства измерения и контроля выбраны для операции приёмочного контроля. Контроль осуществляется для наиболее ответственных поверхностей, отверстий, элементов конструкции деталей.

Контроль детали осуществляется:

станочниками на основных технических операциях;

на операции приемного контроля в конце маршрута.

Главным контрольным мероприятием является приемочный контроль.

Средства измерения и контроля выбраны по методике, изложенной в [8,9]. В основу выбора положена следующая зависимость:

(3.16)

Исходные данные:

- тип контролируемой поверхности и размера;

- масса детали и её габаритные размеры;

- размеры контролируемой поверхности;

- точность;

- метрологические характеристики средства измерения;

- тип производства.

Выбранные средства измерения и их метрологические характеристики приведены в таблице 3.9.

3.1.14 Разработка управляющей программы для станка с ЧПУ

В маршруте обработки детали предусмотрено три операции, выполняемых на станках с ЧПУ: токарно-фрезерная, токарная и сверлильная.

Разработка управляющей программы для обработки одного из концов шпиндельного вала для токарного станка с ЧПУ мод. 16К20Ф3С5.



Таблица 3.9-Средства измерения и их метрологические характеристики

Контролируемый размер или параметр	Наименование средства контроля или измерения	Метрологические характеристики
		Предельная погрешность измерений ±Дlim, мм	Цена деления, мм	Диапазон измерения, мм
Шейки вала	Микрометр рычажный МР по ГОСТ 4381-80	±0,001- ±0,002	0,002	0 - 100
Шерохова-тость	Профилограф - профилометр по ГОСТ 19299-73 тип А1, мод. 252	-	-	0,02 - 200
Биение вала	Биениемер - ПБ-250	±0,008	0,01	0-10

Текст управляющей программы:

%

№ 1 (DIS ,”VAL.001”)

№ 2 M01

№ 3 (CTL)

№ 4 G71G91G95G96X100Z30

№ 5 T1.1M06S120M04

№ 6 (SSL=1500)

№ 7 G00G01X-57Z-39

№ 8 X-43F0.2

№ 9 G97X100Z30M05

№ 10 T2.2M06S315M13

№ 11 X-100

№ 12 G81R30Z-45F0.2

№ 13 G80

№ 14 X100

№ 15 T3.3 M06

№ 16 (USS,B,S630)

№ 17 X-60Y-77.5Z-25M13

№ 18 Z-40F006

№ 19 Z40

№ 20 X-3Y-2,5

№ 21 Z-40F006

№ 22 M05

№ 23 T4.4 M06 S120M04

№ 24 (SSL=1500)

№ 25 G00G01X-57Z-39

№ 26 X-43F0.2

№ 27 G97X100Z30M05

№ 28 T5.5M06S315M13

№ 29 11 X-100

№ 30 G81R30Z-45F0.2

№ 31 G80

№ 32 X100

№ 33 M30

№ 34 (DIS ,TIM TMR)

%

Разработка управляющей программы для обработки второго конца шпиндельного вала для токарного станка с ЧПУ мод. 16К20Ф3С5.

%

№ 1 (DIS ,”VAL.002”)

№ 2 M01

№ 3 (CTL)

№ 4 G71G91G95G96X100Z30

№ 5 T1.1M06S120M04

№ 6 (SSL=1500)

№ 7 G00G01X-57Z-39

№ 8 X-43F0.2

№ 9 G97X100Z30M05

№ 10 T2.2M06S315M13

№ 11 X-100

№ 12 G81R30Z-45F0.2

№ 13 G80

№ 14 X100

№ 15 T3.3 M06

№ 16 (USS,B,S630)

№ 17 X-60Y-77.5Z-25M13

№ 18 Z-40F006

№ 19 Z40

№ 20 X-3Y-2,5

№ 21 Z-40F006

№ 22 M05

№ 23 T4.4 M06 S120M04

№ 24 (SSL=1500)

№ 25 G00G01X-57Z-39

№ 26 X-43F0.2

№ 27 G97X100Z30M05

№ 28 T5.5M06S315M13

№ 29 11 X-100

№ 30 G81R30Z-45F0.2

№ 31 G80

№ 32 X100

№ 33 M30

№ 34 (DIS ,TIM TMR)

%

4. ИМИТАЦИОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ ЭЛЕМЕНТОВ КОНСТРУКЦИЙ

4.1 Имитационное моделирование

Имитационное моделирование - это метод исследования, основанный на том, что изучаемая система заменяется моделью и с ней проводятся эксперименты с целью получения информации об этой системе. Экспериментирование с моделью называют имитацией (имитация - это постижение сути явления, не прибегая к экспериментам на реальном объекте).

Имитационное моделирование - это частный случай математического моделирования. Существует класс объектов, для которых по различным причинам не разработаны аналитические модели, либо не разработаны методы решения полученной модели. В этом случае математическая модель заменяется имитатором или имитационной моделью. Имитационная модель - логико-математическое описание объекта, которое может быть использовано для экспериментирования на компьютере в целях проектирования, анализа и оценки функционирования объекта. Эффективное использование цифровой имитации позволяет уменьшать стоимость создания изделия и риски. Часто называемая как CAE (компьютерный инжиниринг), цифровая имитация позволяет создавать и изучать несколько версий изделия, что позволяет сократить стоимость создания дорогостоящих физических прототипов и позволяет принимать быстрые и правильные решения. Имитационное моделирование позволяет заменить дорогостоящие экспериментальные исследования численным моделированием кинетики теплового и напряженно - деформированного состояния ответственных деталей и узлов. Отталкиваясь от реального чертежа можно создать математическую модель, имитирующую связанные процессы деформирования деталей, изменения параметров нагружения, кинетики теплового состояния, развития повреждений и т.д.

В результате вы получаете готовое изделие быстрее и с лучшим качеством. Главным аспектом получения максимальной выгоды от использования имитации является ее применение на самой ранней возможной стадии и далее сквозь весь процесс создания изделия.

Имитация в САПР - наблюдение за функционированием объекта с целью нахождения его рациональных параметров до его изготовления. Различают кинематическую и динамическую имитацию.

Кинематическая имитация дает возможность предсказать поведение сложных механизмов сборок и изделий во время процесса проектирования.

Динамическая имитация позволяет проверять долговечность конструкции, действие прикладываемых сил, вибрацию, потерю устойчивости и поведение при применении температурных нагрузок на отдельные компоненты и сборки.

В практике расчетов используют как аналитические, так и численные методы расчета прочностной надежности. Надежностью называют свойство изделия выполнять свои функции в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени. Прочностной надежностью называют отсутствие отказов, связанных с разрушением или с недопустимыми деформациями.

Аналитические базируются на математических методах решения краевых задач, обычно сложных и трудоемких, и зачастую ограничены достаточно простыми геометрическими формами тел и схем нагружения. Численные методы не ограничены ни формой тел, ни способом приложения нагрузки. Это, наряду с повсеместным распространением мощной вычислительной техники, способствует их распространению в инженерной среде. Применение аналитических моделей при расчетах теплонапряженного состояния и деформации элементов объекта применительно к сложным по конфигурации объектам, в настоящее время невозможно, так как при этом необходимо принимать ограничения, которые зачастую нарушают адекватность математической модели объекта. Поэтому для решения задач динамической имитации в САПР используют приближенные методы: метод конечных элементов (МКЭ) и метод конечных разностей (МКР).

4.2 Метод конечных элементов

При моделировании физических процессов, связанном с решением дифференциальных уравнений теории поля (тепловые, фильтрационные, диффузионные, деформационные, гидродинамические, электродинамические и т.п. процессы), наиболее часто используют следующие методы численного решения: метод конечных элементов, метод конечных разностей, метод конечных объемов, метод граничных элементов.

Наиболее «сильным» методом вероятно следует считать метод граничных элементов (МГЭ), т.к. в своей основной формулировке он предполагает в пределах граничного элемента аппроксимацию распределения искомой функции (например функции температур) непосредственно по исходному дифференциальному уравнению, которым описывается моделируемый процесс (в других методах аппроксимация в рамках дискретной ячейки более искусственна.) Кроме того, при использовании МГЭ происходит понижение пространственного порядка, что теоретически ускоряет решение и снижает требования к ресурсам вычислительной техники. Однако, при моделировании МГЭ практически не используется, т.к. не смотря на свои многие положительные качества требует однородности физических свойств в рамках крупных граничных элементов.

Метод конечных объемов (МКО) в определенном смысле является развитием разностных методов, хотя иногда рассматривается как некоторая промежуточная стадия между методом конечных разностей (МКР) и методом конечных элементов (МКЭ). Это вероятно не совсем справедливо, т.к. хотя МКО и учитывает произвольно ориентированные границы внутри разностной ячейки, но в основе своей предполагает ортогональную разностную разбивку (дискретизацию) на прямоугольные параллелепипеды и обладает рядом других особенностей присущих разностным методам. Во всяком случае, МКО пока не получил при моделировании широкого распространения. (Кроме, пожалуй, задачи заполнения, где применение МКЭ затруднено, а МКР не дает необходимого соответствия по геометрии заполняемой полости.) Неширокое распространение МКО вероятно связано именно с «промежуточным» характером метода - в тех случаях, когда необходимы произвольно ориентированные границы, лучше использовать собственно МКЭ, а когда допустимо представление геометрии в виде набора параллелепипедов, то проще решать задачу классическим МКР.

Два наиболее часто применяемых метода - это МКЭ и МКР. Разностные методы более старые, именно с ними связаны первые опыты численного моделирования физических процессов. Конечно-элементный подход более молодой (впервые описан американскими исследователями в 1956 г.) и более «сильный», т.е. на уровне исходных посылок точнее соответствует уравнениям задач теории поля. Соответственно МКЭ требует меньше машинных ресурсов (меньше оперативной памяти), расчет идет быстрее (меньше затраты процессорного времени), результат расчетов может быть более адекватным. При моделировании различных физических процессов в 70-80-ых годах МКР и МКЭ имели примерно одинаковое распространение, несмотря на теоретические преимущества МКЭ. Дело в том, что МКЭ несколько сложнее для программирования, и, кроме того, использование МКЭ требует наличия специальных программ- «разбивщиков» на произвольные элементы-многогранники (чаще всего треугольные пирамиды). МКР же был хорошо освоенным методом, генерация разностной сетки для МКР требовала меньших усилий, для МКР было достаточно много опубликованных алгоритмов и программных библиотек.

В 80-90-ых годах положение изменилось. Был набран необходимый опыт применения МКЭ и создания систем моделирования на базе МКЭ. Гигантский скачек совершили конструкторские программные продукты (CAD-системы) для создания трехмерных (3D) геометрических моделей (ГМ). В то же время на рынке программных продуктов появились автоматизированные «разбивщики» для МКЭ, так что генерация конечно-элементной сетки превратилась практически в рутинную операцию. На фоне всего этого в середине 80-ых годов разностные системы моделирования почти повсеместно были вытеснены конечно-элементными системами в силу очевидных преимуществ МКЭ. Единственным исключением по совершенно объективным причинам оставались (и остаются) системы для моделирования гидродинамических и аэродинамических процессов. Поскольку подобные задачи зачастую связаны с наличием движущейся свободной поверхности, то применение МКЭ в классической постановке потребовало бы перегенерации сетки на каждом шаге по времени (хотя, вероятно в рамках МКЭ возможны и более экономичные подходы). Но и в этой области наблюдается стремление заменить МКР различными «промежуточными» методами, например МКО (см. выше). Но так или иначе, сейчас все известные универсальные системы моделирования - ANSYS, NASTRAN, PATRAN, COSMOS и т.д. базируются на МКЭ, т.к. МКР считается недостаточно эффективным и в значительной мере устаревшим методом.

Ключевая идея МКЭ заключается в следующем: сплошная среда (конструкция в целом) заменяется дискретной путем разбиения ее на области (конечные элементы), в каждой из которых поведение среды описывается с помощью отдельного набора функций, представляющих собой напряжения и перемещения в указанной области. Конечные элементы соединяются узлами. Взаимодействие конечных элементов друг с другом осуществляется только через узлы. Расположенные определенным образом, в зависимости от конструкции объекта, и закрепленные в соответствии с граничными условиями, конечные элементы позволяют адекватно описать все многообразие конструкций и деталей. Например, плоскую форменную конструкцию можно смоделировать набором плоских стержневых фигур, рамную - набором объемных стержневых элементов, различного рода пластины и оболочки - множеством плоских треугольников или прямоугольников. Геометрически объемные тела удобно представлять в виде совокупности элементарных пирамид, параллелепипедов и призм.

Такое представление рассматриваемого объекта позволяет решать задачи расчета, напряженного и деформированного состояний тела, устойчивости и динамики, нахождения частот и амплитуд собственных и вынужденных колебаний.

Программное обеспечение для решения задач методом МКЭ должно включать в себя следующие элементы: редактор разбивки на конечные элементы, ядро, непосредственно обеспечивающее решение, и визуализатор для демонстрации полученных результатов (рисунок 4.1).

Рисунок 4.1 - Метод конечных элементов

К конечному элементу могут быть приложены внешние нагрузки (сосредоточенные и распределенные силы и моменты), которые приводятся к узлам данного элемента и носят название узловых нагрузок.

При расчетах методом конечных элементов вначале определяются перемещения узлов данного конечного элемента (или конструкции в целом, если она состоит только из стержневых элементов). Величины внутренних усилий в элементе пропорциональны перемещениям в узлах элемента. Коэффициентом пропорциональности выступает матрица жесткости элемента, количество строк (и столбцов) которой равно произведению числа узлов элемента на число степеней свободы в узле. Все остальные параметры конечного элемента, такие как внутренние нагрузки в узлах и напряжения в самом конечном элементе, вычисляются на основе его узловых перемещений.

При выполнении инженерных расчетов на прочность неизбежен этап создания моделей прочностной надежности элементов конструкций. С помощью таких моделей возможно выбрать материал и необходимые размеры конструкций и оценить ее сопротивление внешним воздействиям.

Надежностью называют свойство изделия выполнять свои функции в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени. Прочностной надежностью называют отсутствие отказов, связанных с разрушением или с недопустимыми деформациями, или, вообще, с наступлением предельного состояния в определенном смысле. Основной мерой надежности является вероятность безотказной работы изделия.

Чтобы обеспечить сооружение от риска разрушения, мы должны допускать в его элементах напряжения, которые будут по своей величине составлять лишь часть предела прочности материала. Величину допускаемых напряжений обозначают той же буквой, что и напряжение, но заключенной в квадратные скобки; она связана с пределом прочности равенством:

,

где - так называемый коэффициент запаса прочности - число, показывающее, во сколько раз допущенные нами в конструкции напряжения меньше предела прочности материала. Величина этого коэффициента колеблется на практике в пределах от 1,7-1,8 до 8-10 и зависит от условий, в которых работает конструкция.

Можно выразить основное требование, которому должны удовлетворять материал и размеры этого элемента, неравенством:



.

Это - так называемое условие прочности: действительные напряжения должны быть не больше допускаемых.

4.3 Проектирование шпиндельного вала

4.3.1 Создание трехмерных моделей деталей в системах «КОМПАС»

Проектирование привода ведем с использованием программы трехмерного моделирования «Компас». Создание графических изображений деталей осуществляется способом графического редактирования. Этот способ, в сущности, является заменой инструментов ручного проектирования средствами электронного проектирования (вместо чертежной доски - экран дисплея, вместо линейки и других инструментов - клавиатура, мышь и соответствующее программное обеспечение). Поэтому этот способ еще называют иначе способом "электронного кульмана". Основу этого способа составляет графический редактор, обеспечивающий создание графических изображений методом синтеза из элементов и фрагментов.

В качестве элементов используются так называемые графические примитивы. Для построения двухмерных (плоских) изображений используются следующие примитивы: точка, отрезок, окружность, дуга, кольцо, эллипс, многоугольник, полоса, текстовые символы и т. п. Для построения трехмерных (объемных) изображений используются следующие примитивы: параллелепипед, конус, вогнутая полусфера, выпуклая полусфера, пирамида, шар, тор, клин, полилиния в трехмерном пространстве и др.

Принцип задания трехмерных моделей заключается в перемещении плоского изображения в пространстве, след от которого определяет конфигурацию и параметры создаваемого объекта. Используется 4 основных способа:

- сдвиг - на плоскости формируется эскиз и задается вектор перемещения;

- вращение - на плоскости формируется эскиз и указывается ось;

- перемещение вдоль кривой - кинематическая операция, с помощью которой можно создать модели пружин, резьбы, трубопроводы;

- по сечениям - все тело условно разбивается на ряд плоскостей.

Процесс создания модели в КОМПАС-3D начинается с построения основного элемента и последующим выполнением над ним перечисленных выше операций. Для построения тела первоначально строится эскиз конструктивного элемента на плоскости, впоследствии преобразуемый тем или иным способом в твердое тело. Программа предоставляет пользователю полный набор функций геометрических построений и операций редактирования.

При создании контура нет необходимости точно выдерживать требуемые размеры. Самое главное на этом этапе - задать положение его элементов, затем, благодаря тому, что создаваемый эскиз полностью параметризован, можно установить для каждого элемента требуемый размер. Кроме того, для элементов, входящих в контур, могут быть заданы ограничения на расположение и связи с другими элементами (например, совпадение, параллельность, перпендикулярность, касательность и т.д.).

КОМПАС-3D содержит высокоэффективные средства твердотельного моделирования, основывающиеся на постепенном добавлении или вычитании конструктивных элементов.

4.3.2 Проектирование конструкций в системе «КОМПАС»

Для того чтобы создать новый файл, содержащий трехмерную модель детали, необходимо вызвать из меню «Файл» команду «Создать деталь» или использовать кнопку «Новая деталь» на «Панели управления» (Рисунок 4.2).

Рисунок 4.2 - Панель управления

На экране откроется окно нового КОМПАС - документа (детали), изменится набор кнопок на «Панели управления», «Инструментальной панели», состав «Строки текущего состояния» и «Главного меню».

В окне новой детали находится «Дерево построений» (рисунок 4.3) - окно, в котором в виде структурного «дерева» отражается последовательность построения трехмерной модели.

Рисунок 4.3 - Дерево построения

После создания файла документа-детали можно приступать к созданию в нем трехмерной модели. Построение трехмерной модели детали начинается с создания основания - ее первого формообразующего элемента. В качестве основания можно использовать любой из четырех типов формообразующих элементов - элемент выдавливания, элемент вращения, кинематический элемент и элемент по сечениям. Чаще всего в качестве основания используют самый крупный из этих элементов. Иногда в качестве основания используют простой элемент (например, параллелепипед, цилиндр), описанный вокруг проектируемой детали (или ее части). Когда создание эскиза закончено, необходимо перейти в режим трехмерных построений.

Выходим из последней использовавшейся в режиме эскиза команды. Для этого используем клавишу <Esc> или из контекстного меню команду «Прервать команду» или кнопку «Прервать команду» на «Панели специального управления». Затем из контекстного меню команду «Закончить эскиз» или кнопку «Закончить эскиз» на «Панели управления». Система вернется в режим трехмерных построений. После этого необходимо указать, каким способом требуется перемещать эскиз в пространстве для получения основания нужного типа, т.е. выбрать вид формообразующей операции (рисунок 4.4).

Рисунок 4.4 - Операции

Это могут быть: операции выдавливания, вращения, кинематическая операция, вырезание выдавливанием.

4.3.3 Вращение контура вокруг оси

Команда “Вращение” в КОМПАС создает тело вращения путем поворота эскиза (рисунок 4.5) вокруг осевой линии. Возможны следующие варианты:

- повернутая на 360 градусов (рисунок 4.5);



Рисунок 4.5 - Вращение контура вокруг оси

4.3.4 Построение фасок

Команда «Фаска» создает скос на выбранных кромках и вершинах модели (рисунок 4.6). Выбирается кромка или вершина, а затем задается угол и размер фаски.

Рисунок 4.6- Построение фасок

4.3.5 Имитационное исследование

Объектом исследования является валик кантователя. Исследование проводим в системе автоматизированного расчета и проектирования КОМПАС-3DV15.

КОМПАС включает эффективные и надежные алгоритмы и программы расчета:

- энергетических и кинематических параметров;

- прочности, жесткости и устойчивости;

- выносливости;

- надежности и износостойкости;

- динамических характеристик.

С ее помощью можно выполнить расчеты и проектирование:

Соединений деталей машин и элементов конструкций, включая комплексный расчет всех типов резьбовых, сварных, заклепочных соединений и соединений деталей вращения.

Всех типов зубчатых передач, а также червячных, ременных и цепных передач, и выполнения чертежей элементов этих передач в автоматическом режиме.

Винтовых передач.

Подшипников качения всех известных типов и подшипников скольжения.

Валов и осей.

Произвольных балочных конструкций.

Плоских ферменных и пространственных конструкций.

Напряженно-деформированного состояния деталей методом конечных элементов

Трехмерных рамных конструкций.

Упругих элементов машин (пружин сжатия, растяжения и кручения, плоских пружины, а также тарельчатых пружин и торс ионов).

Кулачковых механизмов с автоматическим генератором чертежей.

Рычажных механизмов произвольной структуры.

Приводов вращательного движения произвольной структуры.

Планетарных передач произвольного типа.

Оболочечных, пластинчатых и стержневых конструкций произвольного вида (а также их произвольных комбинаций) методом конечных элементов.

Каждый модуль предоставляет пользователю интегрированную среду, которая включает:

- специализированный графический редактор;

- полный цикл вычислений;

- разнообразные средства представления результатов расчета;

- разветвленную систему подсказок.

В системе имеется инженерная база данных для хранения существующих стандартов, доступная всему комплексу расчетных программ.

В процессе исследования будет проведен расчет валика на который приходится основная нагрузка кантователя.

На рисунке 4.7 изображена модель шпиндельного вала.

Рисунок 4.7 - Модель шпиндельного вала

Сначала создаем 3D-модель шпиндельного вала, затем заходим в «Менеджер библиотек», выбираем команду «APMFEM: Прочностной анализ».

После этого необходимо задаться нагрузками и закреплениями валика.

Закрепление задается с помощью команды «Установить закрепление», и обозначаем места закрепления.

Нагрузки являются распределенными и задаются с помощью команды «Приложить удельную силу по площади». В окне обозначается место действия нагрузки и в меню задаются нагрузки с учетом направления действия.

Основная нагрузка действующая на шпиндельный вал - это вес конструкции, который действует на площадь валика.

На нижнюю часть давит вес сталеразливочного ковша, нагрузка которая приходится на шпиндельный вал равна 100000 Н/мм2.

После этого производится расчет конструкции.

Результаты расчета приводятся в окне результаты расчета, где приведены нагрузки действующие на деталь, в окне карта результатов приведены результаты по нагрузкам, напряжениям, перемещениям, коэффициент запаса прочности и текучести, также можно просмотреть эти показатели на деформированной модели, эти показатели наглядно представлены на цветовой диаграмме (рисунок 4.8, рисунок 4.9, рисунок 4.10, рисунок 4.11).

Рисунок 4.8 - Напряжения

Рисунок 4.9 - Перемещения

Рисунок 4.10 - Коэффициент запаса по текучести

Рисунок 4.11- Коэффициент запаса по прочности

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В ходе выполнения ВКР на тему конструкции и технологии изготовления шлифовальной головки для обработки восстановленных поверхностей загрузочных конусов домны, в конструкторской части произведен расчёт и конструирование привода вращения абразивно-шлифовального круга, состоящего из клиноременной передачи, обеспечивающей заданное техническим заданием вращение шлифовального круга со скоростью 2670мин-1.

В технологической части проекта разработан технологический процесс изготовления детали «Шпиндельный вал», произведён анализ технологичности детали, выбран рациональный способ изготовления заготовки; рассчитаны припуска на обработку, определён тип производства и произведён выбор оборудования, режущего инструмента, мерительного инструмента и приспособлений; произведён расчёт режимов резания и техническое нормирование технологических операций, разработана управляющая программа обработки детали для станка с ЧПУ.

В имитационном исследовании элемента конструкции был произведен расчет с помощью программы КОМПАС-3DV15.



СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Анурьев, В. И. Справочник конструктора - машиностроителя: в 3 т. Т.1 / В. И. Анурьев. - Москва: Машиностроение, 2001.- 936 с.

2. Аршинов, В. А. Резание металлов и режущий инструмент: учебник / В. А. Аршинов, Г. А. Алексеев. - Москва: Машиностроение, 1976. - 442 с.

3. Горбацевич А.Ф., Курсовое проектирование по технологии машиностроения: учебное пособие для машиностроительных специальностей Вузов / А.Ф. Горбацевич, В.А. Шкред. -Минск: Высшая школа, 1983. - 256 с.

4. Долин, Н. А. Справочник по технике безопасности / Н. А. Долин. - Москва: Энергоатомиздат, 1984. - 824 с.

5. Дунаев, П. Ф. Детали машин: курсовое проектирование / П. Ф. Дунаев.- Москва: Машиностроение, 2004. - 560 с.

6. Дунаев П.Ф., Конструирование узлов и деталей машин: учебное пособие для техническихспец. вузов / П.Ф. Дунаев, О.П. Леликов. - Москва: Высшая школа, 1985. - 416 с.

7. Евсеев Г.Б., Оборудование и технология газопламенной обработки металлов и неметаллических материалов: учебник для студентов вузов / Г.Б. Евсеев, Д.Л. Глизманенко. -Москва: Машиностроение, 1974. - 312с.

8. Егоров М.Е. Технология машиностроения: учебник для машиностроительных вузов / М.Е. Егоров. - Москва: Высшая школа, 1976.-534 с.

9. Иванов М.Н. Детали машин: учебник / М.Н. Иванов. -Москва: Высшая школа, 1998. - 383 с.

10. Обработка металлов резанием. Справочник технолога / Г. А. Монахов.- Москва: Машиностроение, 1974. - 600 с.

11. Методические указания к курсовому проекту «Расчёт и конструирование валов»/ сост. Полетаев В.П.- Вологда: ВПИ,2001.- 23 с.

12. Методические указания к курсовому проекту «Энергокинематический расчёт привода»/ сост. Полетаев В.П.- Вологда: ВПИ, 2003. - 23 с.

13. Соломенцев, Ю. М. Методы и средства обеспечения безопасности труда в машиностроении: учебник для студентов вузов / Ю.М. Соломенцев. - Москва: Высшая школа, 2000.- 326 с.

14. Соломенцев, Ю. М. Безопасность жизнедеятельности в машиностроении: учебник для студентов вузов /Ю. М. Соломенцев. - Москва: Высшая школа, 2002.- 310 с.

15. Чернавский, С.А. Курсовое проектирование деталей машин: учеб. пособие / С.А. Чернавский, Г.М. Ицкович, К.Н. Боков. - Москва: Машиностроение, 1979. - 351 с.

16. Чекмарёв А.А. Справочник по машиностроительному черчению: учеб. пособие /А.А. Чекмарёв, В.К. Осипов. - Москва, 2002. - 493 с.

17. Сборник планов ликвидации аварий по РМЦ-1. - Череповец: АО «Северсталь», 1996.-47 с.

Размещено на Allbest.ru