Технические науки/8. Обработка материалов в машиностроении

Дудак Н.С., Касенов А.Ж., Муканов Р.Б., Таскарина А.Ж.

Павлодарский государственный университет имени С. Торайгырова

Республика Казахстан

Применение системы APM WinMachine при проектировании металлорежущих инструментов

В настоящее время актуальна проблема сочетания в процессе проектирования двух взаимоисключающих тенденций: экономии материала, с одной стороны, и обеспечения требуемых прочностных характеристик конструкций, с другой стороны. Все это можно обеспечить за счет использования компьютерных технологий. Сегодня невозможно создать качественное, надежное и конкурентоспособное оборудование без всестороннего инженерного анализа проектируемых объектов с помощью современных программных средств и принятия на его основе грамотных конструктивных решений. Под инженерным анализом понимается, в первую очередь, исследование напряженно-деформированного состояния моделей проектируемых конструкций, получение их динамических характеристик и характеристик устойчивости при постоянных и переменных режимах внешнего нагружения.

Наиболее эффективным приближенным методом решения такого класса задач является метод конечных элементов (МКЭ). МКЭ реализован в таких известных и широко распространенных программных продуктах, обеспечивающих прочностной расчет моделей конструкций, как ANSYS, NASTRAN, COSMOS и некоторых других. Это весьма мощные программные средства, но и столь же недешевые, к тому же имеющие англо-язычный интерфейс. Кроме того, редакторы моделей этих пакетов весьма сложны и требуют длительной подготовки пользователя. Отечественный модуль конечно-элементного анализа APM Structure3D, входящий в состав CAD/CAE Системы APM WinMachine, созданной в Научно-техническом центре «Автоматизированное проектирование машин» (НТЦ АПМ), представляет собой в какой-то степени альтернативу указанным программных продуктам [1].

На основании вышеизложенного для всестороннего инженерного анализа проведем прочностной расчет расточного токарного резца с напаянной пластиной используя продукт APM WinMachine.

Принимаем следующие исходные данные: материал расточного токарного резца – Сталь 45, твердосплавная напаянная пластина Т15К6. Диаметр обработки 45 мм, обрабатываемый материал – Сталь 45. Закрепление выполняем на корпусе резца. Режимы резания: s = 1,4 мм/об; n = 160 об/мин, t = 0,25 мм. Параметры нагрузки напластину: Р_х = 218; Р_у = 408; Р_z = 612; Т = 533 ⁰С.

Процесс подготовки к прочностному расчету состоит из нескольких этапов: создание и импорт 3D модели в редактор APM Studio; присвоение составным деталям параметров материала; моделирование действующих нагрузок; задание опор (закрепление); определение совпадающих поверхностей деталей; генерация КЭ-сетки.

Далее выполняются расчеты: статический, тепловой или усталостный в зависимости от конкретных условий, результаты которых представлены на рисунках 1-3.

Рисунок 1 – 3D модель токарного резца с напаянной пластиной

Рисунок 2 – Конечно-элементарная сетка токарного резца с напаянной пластиной

Рисунок 3 – Суммарное линейное перемещение токарного резца с напаянной пластиной

Аналогично выполнен расчет конструкций новых металлорежущих инструментов – резцовых сборных разверток. Исходные данные: материал вставного зуба-резца инструмента – Т15К6, а остальные составные детали – Сталь 45. Диаметр обработки 45 мм, обрабатываемый материал – Сталь 45. Закрепление выполняем на корпусе развертки по конусу Морзе. Режимы резания рассчитывались по двум вариантам: s = 1,4 мм/об; n = 160 об/мин, t = 0,25 мм. Параметры нагрузки на четыре втавных зуба-резца: Р_х = 328; Р_у = 612; Р_z = 918; Т = 533 ⁰С; s = 1,4 мм/об; n = 160 об/мин, t = 0,5 мм. Параметры нагрузки на на четыре втавных зуба-резца: Р_х = 656; Р_у = 1144; Р_z = 1836; Т = 754 ⁰С.

Анализ результатов прочностного расчёта резцовой сборной развёртки и расточного резца показал, что применение резцовой сборной развёртки даёт меньшие упругие отжатия, что повышает точность и качество обрабатываемых отверстий деталей машин.

Применение резцовой сборной развёртки с винтовым расположением даёт меньшее перемещение по сравнению с расположением по одной линии, а, следовательно, меньше отклонение в продольном и поперечном сечениях в 1,2 раза, т.е. повышается точность и качество обрабатываемых отверстий. Помимо этого уменьшается нагрузка на каждый безвершинный зуб в 1,5 раза и повышается прочности в 1,3 раза, что увеличивает стойкость инструмента и его ресурс.

Таким образом, применение системы APM WinMachine с модулем APM Studio при прочностном расчёте металлорежущих инструментов позволяет повысить производительность проектирования и исследовать его многовариантность.

Литература:

1. Замрий А.А. Проектирование и расчет методом конечных элементов в среде APM Structure3D. – М.: Издательство АПМ, 2010. – 376 с.