При проектировании технологической оснастки для металлорежущих станков важное значение имеет расчет на жесткость, поскольку статические упругие деформации являются одним из факторов в формировании погрешности обрабатываемой детали. Традиционно расчет на жесткость выполняется по аналитическим формулам. Результаты такого расчет дают значительное расхождение с фактическими деформациями. Кроме того, значительный вклад в баланс деформаций технологической системы вносят деформации оборудования и инструмента. Поэтому при расчете технологической оснастки на жесткость необходимо производить расчет всей технологической системы в целом. Наиболее удобным инструментом для этого является конечно-элементное моделирование, например, в среде NX.
Процесс решения этой задачи состоит из следующих этапов:
1. Формирование трехмерных моделей заготовки, приспособления, инструмента, станка. Пакет программ NX предоставляет богатый функционал операций при разработке моделей. Проектирование можно вести с применением различным методик. В данном случае выполнялась модернизация приспособления, аналог которого был спроектирован и изготовлен ранее. Поэтому разработка приспособления велась подетально по существующим чертежам. При создании новых моделей для корректной работы NX название и путь сохранения файла, содержащего модель должны состоять из латинский букв и цифр. При подготовке трехмерных моделей необходимо обращать внимание на применение материалов в трехмерных моделях. Лучше эту работу выполнять на подготовительном этапе. Также необходимо обращать особое внимание на представление всех физических свойств материала, в противном случае возникнет отказ при расчете и эту же работу (назначение материалов) придется выполнять повторно.
Из моделей-деталировок создается сборка.
Рисунок 1. Создание сборной трехмерной модели
Выбирая различные виды сопряжений, в том числе касание или выравнивание по расстоянию (рис. 2) можно получить сборку требуемой конфигурации.
Также удобным является то, что детали можно изменять непосредственно в контексте сборки. Тем самым можно корректировать размеры и форму деталей (рис. 3), а также добавлять мелкие конструктивные элементы, например, крепежные отверстия (рис. 4). При этом изменения автоматически сохранятся в файле детали.
Рисунок 2. Создание сопряжений в сборке
Рисунок 3. Изменение деталей в контексте сборки
Рисунок 4. Создание отверстий в деталях в контексте сборки
Таким образом полностью формируется сборка приспособления вместе с заготовкой (рис. 5).
Рисунок 5. Сборная модель приспособления с заготовками
Аналогично выполняется сборка инструментального комплекта – режущего инструмента в сборе со вспомогательным. Трехмерная модель станка может быть подготовлена заранее, поскольку она может использоваться при решении других задач производства.
2. Формирование конечно-элементной модели. Расчет технологической системы на жесткость целесообразно производить методом конечно-элементного анализа. По сравнению с расчетом по аналитическим выражениям этот метод дает высокую достоверность результатов, отлично реализуется на электронно-вычислительных машинах, при расчете используются трехмерные модели, которые могут применяться для решения других задач конструкторско-технологической подготовки производства.
Для выполнения такого анализа в системе NX целесообразно создавать файл, ассоциативный со сборкой. Для этого в той же сессии создается файл конечно-элементной сборки, связанный с ранее подготовленной моделью.
Рисунок 6. Создание файла конечно-элементной сборки
Для каждого из наименований компонент, входящих в сборку, формируется конечно-элементная сетка. В зависимости от условий расчета в программе NX можно задавать тип конечных элементов, их размер и условия формирования сетки. Такой подход с использование ассоциативной конечно-элементной сборки удобен тем, что компоненты сразу выстраиваются в том порядке, который был определен сопряжениями в сборке. Для каждого из компонент можно сформировать именно ту сетку, которая наиболее подходит для его расчета. Кроме того, при наличии нескольких одинаковых компонент, достаточно подготовить сетку только для одного их них, остальные войдут в сборку автоматически.
Рисунок 7. Сборная конечно-элементная модель станка, приспособления, инструмента, заготовки
3. Подготовка к расчету. На данном этапе указывается тип выполняемого расчета. Для решения поставленных задач исследования достаточно наиболее простого варианта – линейного статического анализа.
В рамках данного расчета необходимо подготовить следующие данные:
3.1. Задать нагрузки. В качестве нагрузок в данном расчете принимались силы резания, которые рассчитывались по эмпирическим формулам для данной схемы резания. Равнодействующие сил резания были приложены к заготовке и к инструменту в точке их контакта при резании.
3.2. Задать граничные условия (ограничения). В качестве граничного условия, ограничивающего смещение сборной модели как твердого тела, моделировалось крепление станины станка к фундаменту.
3.3. Задать условия контакта моделей в сборке. Различают собственные и контактные деформации. Конечно-элементная сетка моделирует только собственные деформации. Для учета контактных деформаций необходимо задать условия контакта между компонентами. В рамках данной работы моделирование линейного контактного взаимодействия между поверхностями производилось упрощенным методом с помощью функции NX «Соединение поверхность–поверхность», причем значения контактных жесткостей моделировались с помощью коэффициента штрафа [1, с.282].
Рисунок 6. Конечно – элементная модель с учетом нагрузок, ограничений и контактов между поверхностями
4. Проведение расчета. Согласно заданным условиям, решатель NX Nastran производит расчет напряженно-деформированного состояния технологической системы.
5. Визуализация полученных результатов и их анализ. NX выводит результаты графически, показывая деформированное под заданной нагрузкой состояние системы (рис. 7).
Видно, что наибольшие деформации имеет ветвь инструмента – силы резания приводят к повороту инструмента. Кроме того, значительным деформациям подвергается шпиндельная бабка станка (рис. 8). При обработке точных изделий это существенно повлияло бы на погрешность обработанной поверхности. Кроме того, можно определить численные значения деформаций в заданных точках (рис. 8).
По результатам расчета видно, что спроектированное приспособление обладает высокой жесткостью и в изменении не нуждается. Напротив, инструментальная система нуждается в повышении жесткости, что можно сделать изменяя конструкцию инструмента или схему резания.
Рисунок 7. Карта результатов линейного статического расчета
Рисунок 8. Деформации шпиндельной бабки станка