Оптимизация технологического процесса токарной обработки валов

Валы с высокой жесткостью можно закреплять консольно в патроне, валы средней жесткости для уменьшения деформаций при обработке рекомендуется закреплять с обоих концов, например в центрах. Валы с очень большим соотношением длины и диаметра закрепляют с обоих концов с дополнительной опорой между ними – люнетом.

Сегодня на многих промышленных предприятиях разрабатываются изделия различных нестандартных конструкций, которые при своей эксплуатации подвергаются всяческим усилиям. Причем номенклатура деталей на таких заводах постоянно меняется. Сложная конструкция какой-либо детали при приложении к ней усилия создает в ней сложную картину НДС, которую необходимо учитывать при проектировании изделия. Обычные ручные расчеты напряжений средствами дисциплины «Сопротивление материалов» применимы только, если речь идет о стандартных сечениях или их совокупности. НДС сложных сечений и деталей не поддается ручным расчетам и требует других способов определения. На этом фоне достойно выглядит компьютерная программа «Abaqus». Она позволяет выполнять расчеты НДС деталей любых конструкций и форм сечений. Программа показывает картину напряжений и деформаций, как полных, так и их составляющих. В качестве исходных данных надо лишь ввести трехмерную модель исследуемой конструкции, приложенные к ней усилия и способ ее закрепления.

Применяя инженерный программный комплекс, проектировщик еще на начальных этапах, на этапе проектирования может узнать, предугадать картину напряжений, а главное – деформаций, возникающих в детали. В частности, при проектировании ТП исследуемой деталью выступает обрабатываемая заготовка, к которой приложены различные силы и моменты со стороны режущего инструмента и закрепляющих элементов. Зачастую при создании ТП новой, сложной детали после определенной операции приходится выбрасывать заготовку за неисправимым браком. Причина тому – несовершенство ручных расчетов режимов обработки, которые не могут охватить все факторы, влияющие на НДС. С помощью программного комплекса можно заранее предвидеть нарастание деформаций, отказаться от данных режимов, снизить их и, тем самым, сохранить заготовку, предупредив брак. Наоборот, в некоторых случаях, при обработке жестких деталей появляется возможность усилить, увеличить режимы, значения которых получены вручную, если деформации заготовки при них малы. В этом случае технолог выигрывает во времени, так как может обработать деталь на более производительных режимах.

Компьютеризация инженерных расчетов в области определения НДС деталей в прямом смысле слова экономит предприятию время и деньги. Программа в считанные минуты производит расчеты, на которые вручную ушли бы часы. Где это, возможно, позволяет увеличивать режимы обработки, снижая время обработки и себестоимость продукции. Предупреждает возможность появления брака при обработке деталей малой жесткости. И, наконец, удобство и комфорт при проектировании.

Все это и многое другое делает программный конечно-элементный комплекс «Abaqus» достойным инструментом при проектировании конструкций и технологических процессов, заслуживающим широкого внедрения на машиностроительных предприятиях.   

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Методика исследования

2.1. Возможности  применения компьютерной программы Abaqus для расчета напряженно-деформированного состояния тела

ABAQUS – многоцелевой конечно-элементный комплекс для инженерного анализа [15].

Программный конечно-элементный комплекс ABAQUS — универсальная система общего назначения, предназначенная как для проведения многоцелевого инженерного многодисциплинарного анализа, так и для научно-исследовательских и учебных целей в самых разных сферах деятельности, в числе которых:

- автомобилестроение (компании BMW, FORD, General Motors, Mercedes, Toyota, Volvo, Good Year);

- авиастроение и оборонная промышленность (General Dynamics, Lockheed Martin, US Navy, Boeing);

- электроника (HP, Motorola, IBM, Digital);

- металлургия (British Steel, Dupont);

- нефтедобыча и переработка (Exxon/Mobil, Shell, Dow);

- производство товаров народного  потребления (3M, Kodak, Gillette);

- общая механика и геомеханика (GeoConsult, ISMES, «Гидропроект»).

В этой статье, открывающей цикл публикаций о возможностях ABAQUS, излагаются основы программного комплекса ABAQUS, а также рассматриваются вопросы эффективного применения данного продукта на всех стадиях производства.

Отличительные особенности ABAQUS

Одной из важнейших особенностей программного комплекса ABAQUS является его универсальность. Данный пакет может использоваться на всех этапах проектирования и создания современных изделий и практически всеми расчётными, проектными и технологическими службами предприятия.

ABAQUS тесно интегрирован практически  со всеми CAD-системами, имеет собственный  мощный современный препостпроцессор ABAQUS/CAE. Возможна и связь через интерфейсы с другими программными продуктами, такими как ADAMS (кинематика и динамика узлов и механизмов), SYSNOISE (акустика и виброакустика), Moldflow (литьё пластмасс) и FlowVision (аэро- и гидродинамика).

Программный комплекс ABAQUS доступен на всех стандартных платформах — от персональных компьютеров с Windows NT/2000/XP до рабочих станций под UNIX и суперкомпьютеров.

Основные возможностей ABAQUS

ABAQUS позволяет использовать различные  методы анализа во временной и частотной области. Эти методы разделяются на два класса: обобщённые типы анализа (в которых задача может быть линейной или нелинейной) и линеаризованный анализ (в котором линейный отклик модели рассчитывается относительно общего — возможно, нелинейного — исходного состояния). Один расчёт может включать различные типы анализов:

- статический анализ напряжений/перемещений;

- вязкоупругий/вязкопластический  отклик;

- переходный динамический анализ  напряжений и перемещений;

- переходной или установившийся анализ теплопередачи;

- переходной или установившийся  анализ диффузии массы;

- динамический анализ напряжений/перемещений.

Достоинства ABAQUS

Внедрение любой системы на предприятии предполагает её эффективное использование в целях увеличения прибыльности и снижения себестоимости продукции. В этом смысле ABAQUS представляет собой достойный выбор по целому ряду причин:

- ABAQUS является программой общего  назначения с широкими возможностями  как линейного, так и нелинейного  анализа;

- снижаются затраты на обучение по сравнению с обучением нескольким программным продуктам;

- полная поддержка и обновление  версий гарантирует пользователю  эффективное использование программы  и возможность экспертной помощи  в сложных задачах;

- вследствие возможности использования независимой библиотеки материалов и элементов любые материалы могут быть использованы в любых элементах, причем без ограничений по количеству материалов и элементов;

- автоматическое определение приращения  по времени на всех стадиях  проведения расчёта и автоматический выбор критерия сходимости обеспечивают высокую надежность сходимости решения даже в самых сложных нелинейных задачах;

- схемы решения уравнений в ABAQUS являются высокоэффективными и  настроены на повышение их  возможностей в широком диапазоне используемых систем компьютеров;

- несколько типов анализа могут  быть одновременно реализованы  в одном расчете;

- ABAQUS включает проверенную библиотеку  современных элементов для высокой  эффективности и точности вычислений;

- ABAQUS и связанная с ним поддержка разработаны для проведения сложных линейных и нелинейных расчетов с лёгкостью и надёжностью.

 

2.2. Этапы расчета  напряженно-деформированного состояния  тела в программном комплексе Abaqus

Одной из особенностей ABAQUS является  использование моделей, каждый из которых содержит некоторый набор действий близких по значению и необходимых для построения конечно-элементной модели и дальнейших операций с ней. Это упрощает и делает более наглядной работу в ABAQUS.

Представим последовательность шагов для расчета напряженно-деформированного состояния в виде блок-схемы, изображенной на рис. 2.

Модули:

PART – модуль, предназначенный для создания деталей, задания их геометрии, опорных точек и систем координат.

PROPERTY – модуль, предназначенный для определения материалов и сечений, применяемых в модели, а также для задания их физических характеристик.

 ASSEMBLY – модуль, предназначенный для задания взаимного расположения деталей и сборки их в единую модель.

STEP – модуль, предназначенный для создания шагов расчета и определения входных данных по результатам.

INTERACTION – модуль, предназначенный для определения взаимодействий между деталями, контактных участков и их свойств.

LOAD – модуль, предназначенный для создания нагрузок, прикладываемых к модели, а также начальных и граничных условий для нее.

MESH – модуль, предназначенный для построения сетки, фактически в нем происходит преобразование геометрической модели в конечно-элементную.

JOB – модуль, предназначенный для   создания   файла выходных данных, проверки построенной модели запуска вычислительного процесса и контроля над ним.

VISUALIZATION – модуль, предназначенный для просмотра результатов расчета и обработки полученных данных.

SKETCH – модуль, предназначенный для сохранения эскизов   и   чертежей полученной модели.

2.3. Пример оптимизации  технологического процесса с  помощью программного комплекса Abaqus

Одной из задач данного исследования является проведение оптимизации технологического процесса изготовления вала на примере одной или нескольких токарных операций. В частности необходимо определить наилучший способ закрепления заготовки (в патроне, в патроне с центром задней бабки станка или в центрах, возможно с использованием люнета) и оптимальные режимы резания (глубину, подачу и скорость резания), обеспечивающие с одной стороны максимальную производительность и, в то же время, не вызывающие чрезмерно высоких нагрузок, способных сильно деформировать деталь и привести к браку. В данном разделе приведем лишь небольшой пример такого расчета.

Для примера возьмем три различные конструкции вала и смоделируем три разных способа закрепления его на станке. Приложим к валу сосредоточенную силу, эмитирующую силу резания при токарной обработке. Произведем пошаговый расчет напряженно-деформированного состояния вала определенной конструкции для различных способов закрепления и валов различных конструкций при каком-то одном способе закрепления. Расчет ведем в программе Abaqus (студенческая версия) в соответствии с блок-схемой на рис. 2.

Результаты компьютерного расчета НДС валов трех различных конструкций при закреплении их в центрах представлены на рис. 2.1, 2.2 и 2.3. 

На рисунках показано закрепление и приложенные усилия, смоделированные в программе, представлена цветовая картина возникающих в детали напряжений. На рисунках хорошо заметно как меняется картина напряженно-деформированного состояния вала при внесении тех или иных изменений в его конструкцию.

Теперь же посмотрим, как она будет меняться в зависимости от способа закрепления заготовки. На рис. 2.3 представлен расчет НДС вала при закреплении его в центрах. Результаты компьютерного расчета НДС вала, изображенного на рис. 2.3 при двух других способах закрепления представлены на рис. 2.4 и 2.5.

Видно, что при закреплении в патроне (консольно), рис. 2.4, почти все напряжение сосредоточено в ослабленной лысками и отверстиями части вала, деформации же получаются очень большими, особенно на незакрепленном конце вала. При закреплении с обоих концов (рис. 2.3 и 2.5) нагрузка распределяется более равномерно по длине вала, за счет чего резко уменьшаются деформации.

Таким образом, была рассмотрена зависимость напряженно-деформированного состояния валов от их конструкции и способа их закрепления при обработке с определенными силами резания. В дальнейшем работа будет посвящена выбору оптимальных способа закрепления и режимов резания.

 

 

 

 

 

 

 

3. Оптимизация технологического  процесса токарной обработки  валов

На рассмотрение принимаются три различные конструкции вала, выполненные из различных материалов, для которых необходимо подобрать оптимальные параметры технологического процесса на операции наружного обтачивания. В частности нужно определить наиболее подходящие режимы резания и способ закрепления при обработке, найти окружное положение заготовки и осевое положение инструмента, при которых происходит наибольшая деформация заготовки.

Сначала исследуем зависимость жесткости обрабатываемой конструкции от ее окружного положения относительно инструмента и от осевого положения инструмента относительно заготовки по возникающим в зоне резания деформациям (табл. 3.1.2, 3.1.3, 3.1.7, 3.1.8, 3.1.12, 3.1.13). Исследование проведем при закреплении конструкций в центрах и при определенных (начальных) режимах резания. Затем проверим изменения величин деформаций при других способах закреплений (табл. 3.1.4, 3.1.9, 3.1.14). И, наконец, найдя наихудший вариант по жесткости и наилучший по закреплению, попробуем оптимизировать режимы резания на примере всех трех конструкций валов (табл. 3.1.6, 3.1.11, 3.1.15).