Разработка на основе метода конечных элементов модели и способа управления траекторией рабочего движения инструмента при фрезеровании сложнопрофильных деталей : на примере лопаток компрессора ГТД

• Автор: Станкевич, Станислав Анатольевич
• Шифр специальности: 05.02.08
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2008
• Место защиты: Рыбинск
• Количество страниц: 190 с. : ил.

СОДЕРЖАНИЕ
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
ВВЕДЕНИЕ
1 СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. РАЗРАБОТКА МОДЕЛР1 КОНЦЕВОГО ФРЕЗЕРОВАНИЯ, УЧИТЫВАЮЩЕЙ ПРОСТРАНСТВЕННЫЕ ИСКАЖЕНИЯ СЛОЖНОПРОФИЛЬНОЙ ДЕТАЛИ ОТ СИЛ РЕЗАНИЯ
1.1 Значение фрезерных работ при лезвийной обработке лопаток ГТД
1.2 Технологические особенности изготовления лопаток компрессора ГТД
1.3 Погрешности, возникающие в процессе фрезерной обработки лопатки компрессора ГТД
1.3.1 Погрешность, обусловленная деформацией детали от сил резания
1.3.2 Погрешность, обусловленная деформацией детали от сил закрепления
1.3.3 Погрешность из-за вибраций, возникающих в процессе обработки
1.4 Анализ ранее выполненных работ по теоретическому и экспериментальному определению напряженно-деформированного состояния обрабатываемой детали и моделированию лезвийной обработки с помощью МКЭ
1.4.1 Обзор работ, посвященных моделированию процессов лезвийной обработки
1.4.2 Некоторые особенности моделирования процессов лезвийной обработки с помощью МКЭ
1.4.3 Достоверность конечно-элементной модели резания
1.4.4 Обзор работ по расчету напряженно-деформированного состояния в зоне резания аналитическими и эмпирическими методами
1.5 Концепция автоматизированной системы на основе МКЭ для обработки деталей ГТД типа «лопатка» и ее место в технологической подготовке производства
1.6 Выводы по главе 1. Цели и задачи исследования
2 МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАПРЯЖЕННО-ДЕФОРМИРОВАННОГО СОСТОЯНИЯ ОБРАБАТЫВАЕМОЙ ДЕТАЛИ И СИЛ РЕЗАНИЯ ПРИ КОНЦЕВОМ ФРЕЗЕРОВАНИИ
2.1. Допущения, принятые в данной работе
2.2. Математическое обеспечение расчета напряженно-деформированного состояния концевого фрезерования заготовки
2.3 Описание поведения материала за пределами упругости
2.4 Реализация механизма разделения материала
2.5 Модель режущего инструмента, применяемая в расчете
2.6 Моделирование движения инструмента при многоосевой обработке
2.7 Моделирование контактного взаимодействия инструмента и заготовки
2.8 Определение сил резания
2.9 Теоретическая реализация метода компенсации неравномерного удаления припуска при фрезерной обработке на основе конечно-элементной модели фрезерования
2.10 Характер влияния силы резания на величину прогибов заготовки при многоосевон
обработке
2.11. Выводы по главе
3. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ПРОВЕРКА АДЕКВАТНОСТИ МОДЕЛИРОВАНИЯ ФРЕЗЕРОВАНИЯ И ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ УГЛОВ НАКЛОНА И АТАКИ НА ПРОЕКЦИИ СИЛЫ РЕЗАНИЯ
3.1 Методика проведения экспериментов
3.2 Описание хода экспериментов и анализ результатов

3.2.1 Определение деформаций и напряжений, возникающих в результате фрезерной
обработки
3.2.1.1 Описание экспериментальной установки и план эксперимента
3.2.1.2 Анализ результатов эксперимента
3.2.2 Определение сил резания
3.2.2.1 Описание экспериментальной установки и план эксперимента
3.2.2.2 Общий анализ и результаты экспериментов
3.2.3 Построение расчетной обобщенной кривой по диаграмме растяжения для материала

3.2.4 Верификация программы
3.3 Выводы по главе
4 ПРАКТИЧЕСКАЯ РЕАЛИЗАЦИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЯ
4.1 Применение программного обеспечения на основе метода конечных элементов для
моделирования многокоордшштного фрезерования сложнопрофильных деталей
4.2 Формирование исходных данных расчета
4.3 Метод уточнения сетки в заданной области
4.4 Проведение расчета
4.5 Компенсация траектории рабочего движения инструмента
4.6. Выводы по главе
5. ОБЩИЕ ВЫВОДЫ ПО РАБОТЕ. ДАЛЬНЕЙШИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ
5.1 Общие выводы по работе
5.2 Направления дальнейших исследований
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ
Приложение 1 Модификация С.Л.У. в соответствии с заданными начальными
условиями
Приложение 2 Вывод уравнения движения произвольной точки инструмента для
многоосевой обработки
Приложение 3 Алгоритм определения контактных узлов
Приложение 4 Алгоритм моделирования отделения материала
Приложение 5 Таблицы режимов резания к эксперименту по определению
напряжений при фрезеровании лопатки компрессора ГТД
Приложение 6 Таблица режимов резания и схемы к эксперименту по определению
сил резания для различных углов наклона и атаки
Приложение 7 Тарировка динамометра У ДМ
Приложение 8 Значения коэффициентов усиления и аттенюаторов
Приложение 9 Схема формирования погрешности обработки
Приложение 10 Результаты измерений профиля лопатки после фрезерования
Приложение 11 График тарировки лопатки для проведенияизмерений прогибов при фрезеровании пера лопатки
УСЛОВНЫЕ ОБОЗНАЧЕНИЯ
Pz, Рх, Ру - составляющие силы резания;
CAD - Computer Aided Design (компьютерные программы проектирования); САМ - Computer Aided Manufacturing (компьютерные программы поддержки производства - разработка управляющих программ ЧГТУ);
CAE - Computer Aided Engineering (компьютерные программы поддержки инженерных расчетов - используется метод конечных элементов);
СПИЗ - станок, приспособление, инструмент, заготовка;
3-D - трехмерное пространственное тело;
ГТД- газотурбинный двигатель;
МКЭ - метод конечных элементов;
ЧПУ - числовое программное управление;
САПР - система автоматизированного проектирования;
ПК - персональный компьютер;
КЭ - конечный элемент;
СОЖ - смазочно-охлаждающая жидкость;
ЭХО - электрохимическая обработка;
УП - управляющая программа.

Анализируя зарубежные работы, можно сделать вывод, что основная цель проведения исследований за рубежом по применению МКЭ для моделирования резания состоит в том, чтобы интегрировать имеющиеся системы автоматизированного инженерного расчета САЕ в общую цепочку технологической подготовки производства:
• конструктор проектирует деталь в так называемой CAD-системе -конечный продукт представляет собой твердотельную параметрическую модель;
• инженер-технолог разрабатывает технологический процесс изготовления детали, назначает режимы обработки;
• технолог-программист в CAM-системе разрабатывает по модели детали управляющую программу для станка с ЧПУ и проводит кинематическую симуляцию лезвийной обработки;
• новый этап - технолог-программист моделирует дополнительно в САЕ-системе лезвийную обработку 3-D модели заготовки обрабатываемой по управляющей программе детали.
Для реализации последнего этапа необходимо программное обеспечение, так как МКЭ предполагает работу с огромными массивами данных. Требуется либо изменять существующие коммерческие программные продукты, ориентированные на решение задач сопротивления материалов (UG-Structures, ANSYS), либо создавать собственные. Опыт свидетельствует, что эффективнее использовать возможности готового программного продукта совместно с собственными алгоритмами, описывающими моделирование резания.
Место интегрированной CAE-системы в "цепочку" технологической подготовки производства показано на рисунке 1.15. Рассмотрим концепцию такой подсистемы для организации оптимальной, с точки зрения требуемой точности, обработки профиля лопатки компрессора газотурбинного двигателя.
Входными параметрами являются чертеж детали с указанием размеров и технических требований (математическая модель), технологический процесс изготовления детали (операционная карта) с указанием обрабатываемых поверхностей, режимы резания, режущий инструмент с соответствующей геометрией, исходная управляющая программа. На основании режимов резания и модели заготовки рассчитывается ее напряженно-деформированное состояние в процессе фрезерной обработки от сил резания, сил закрепления, вибраций в системе