This content was uploaded by our users and we assume good faith they have the permission to share this book. If you own the copyright to this book and it is wrongfully on our website, we offer a simple DMCA procedure to remove your content from our site. Start by pressing the button below!
или пиктов автоматическом меню. На экране появится диалоговое окно грамму «Параметры линии изображения» Выберем мышкой невидимую (“Hidden”) линию в меню типов линий (рис. 1.29).
Рис. 1.29. Задание типа линии «Невидимая». Нажмем графическую кнопку [OK] для выхода из диалогового окна и создадим две штриховые линии конического отверстия (рис. 1.30).
Рис. 1.30. Построение невидимых линий на виде сверху.
37
Теперь создадим штрихпунктирные осевые линии. Еще раз нажмем
в команде Graphics. Нажмем на графическую кнопку справа от меню типов линий и выберем тип линии с названием “Center” (рис. 1.31). в автоматическом меню. Поскольку мы создавали эту или пиктограммы прямую как параллельную правой части плиты, параметром, характеризующим положение данной прямой является расстояние между правой и Выбор узлов, через которые проходит сплайн, производится нажатием ЛКМ. Завершение построение сплайна осуществляется нажатием пиктограммы в автоменю. на клавиатуре вызовем диалоговое окно параметров картинки (рис. 4.8). В данном окне зададим способ привязки картинки по одной точке, углу и масштабу и выберем масштаб 1:1. Подтвердим выбор параметров картинки нажатием графической кнопки [ОК]. Для поиска вставляемого метафайла на диске выберем пиктограмму в автоменю. Затем выберем метафайл TFLEX CAD 02.bmf и вставим его в 2D окно. на клавиатуре. Тело вращения создано (рис. 5.6). По умолчанию созданная 3D операция получила имя «Вращение_0». Поскольку моделируемая нами деталь имеет относительно простую геометрию, можно не изменять имена 3D операций, задаваемые по умолчанию. При моделировании сложных по форме деталей целесообразно давать 3D операциям оригинальные имена, соответствующие названиям создаваемых с их помощью поверхностей реальной детали, чтобы упростить последующую работу с моделью. <M> “Параметры|Измерить ” талл|Параметры” В открывшемся диалоговом окне «Параметры листового металла» (рис. 7.4) зададим толщину металла переменной h=3 мм, а радиус сгиба переменной r=5 мм и подтвердим ввод параметров с помощью графической кнопки [OK}.
Рис. 1.31. Задание типа линии «Осевая». Тем самым мы не только зададим штрих-пунктирный тип создаваемых линий, но и установим требуемые типы начала и конца линий. Создадим 4 осевые линии как показано на рис. 1.32.
Рис. 1.32. Создание осевых линий. Создание линейных размеров. Вызовем команду «Dimension: Нанести размеры»: Клавиатура Текстовое меню Пиктограмма
38
главном виде с помощью ЛКМ. Мы увидим, как вместе с курсором начал перемещаться появившийся размер (рис. 1.33). Зафиксируем его положение нажатием ЛКМ. В появившемся на экране диалоговом окне «Параметры размера» (рис. 1.34) установим на закладке «Общие» флажок «Авто», и нажмем графическую кнопку [OK]. Размер шрифта можно поменять в команде STatus на закладке “Шрифт”. На этой закладке устанавливаются параметры шрифта, для тех элементов модели, для которых они не заданы. На закладке «Стиль» окна «Параметры размера» можно задать необходимость простановки перед численным значением размера знаков радиуса или диаметра, форму концов размерных стрелок и т.п. На закладке «Допуск» окна «Параметры размера» можно задать поле допуска, как стандартизованное, так и произвольное. Аналогично зададим остальные линейные размеры (рис. 1.35). Диаметры и радиусы проставляются следующим образом. В команде Dimension подведем курсор к нужной окружности и нажмем
Рис. 1.33. Простановка линейного размера.
39
Рис. 1.34. Окно «Параметры размера».
Рис. 1.35. Линейные размеры. Клавишами
40
После того, как мы укажем курсором на нужное место, нажмем ЛКМ, и после нажатия [OK] в диалоговом окне задания параметров размера на экране появится проставляемый размер. Проделаем эту операцию для всех размеров на окружностях Сделать невидимыми линии построения и узлы (рис. 1.36) можно с помощью специальной команды, которая убирает или показывает все элементы построения из текущего окна. Данная команда иногда бывает более удобной еще и потому, что она гасит построения не для всего документа, а только для его текущего вида. Таким образом, если открыто несколько окон одного чертежа, то в одних элементы построения могут присутствовать, а в других – отсутствовать. Вызов команды: Клавиатура Текстовое меню Пиктограмма
Рис. 1.36. Чертеж с невидимыми линиями построения. Зададим с помощью переменной длину плиты. Для этого выберем левую границу главного вида и войдем в команду EConstruction. Вызовем диалоговое окно «Параметры прямой» (рис. 1.37) с помощью клавиши
41
левой сторонами плиты. Вместо конкретного значения можно поставить переменную. Введем вместо числа «150» имя переменной «W» и нажмем <Enter> или [OK]. Появится диалоговое окно «Значение переменной», в котором мы подтвердим значение вновь создаваемой переменной и запишем комментарий к ней.
Рис. 1.37. Окно «Параметры прямой». Необходимо отметить, что заглавные и прописные буквы не равны в имени переменной. Переменная «W» не является переменной «w». Предположим, что меньший диаметр конического отверстия в плите должен быть равен половине ее ширины. Для задания соответствующего соотношения между переменными «W» и «R1» вызовем редактор переменных и поставим вместо числового значения «R1» выражение «W/4». Это будет означать, что значение «R1» будет равняться четверти значения «W». Нажмем [OK] для того, чтобы посмотреть на результат наших действий. Теперь мы можем, меняя только значение «W», автоматически изменять значение «R1». Между переменными могут назначаться и более сложные соотношения, в том числе и с помощью логических функций. Предположим, например, что значение радиуса скругления правого верхнего угла плиты должно принимать значение 0 при ширине плиты менее 100 мм и равняться 6 мм при W≥100 мм. Для задания данного соотношения войдем в редактор переменных и зададим для переменной «R» вместо численного значения следующее выражение (рис. 1.38): W < 100 ? 0: 6
42
Рис. 1.38. Ввод выражений в редактор переменных. Это выражение означает, что если «W» меньше, чем 100, то «R» равно 0, в противном случае «R» равно 6. Расшифруем содержимое выражения. Сначала выделим его составные части. < - является знаком «меньше чем» ? - означает «в таком случае» : - «в противном случае» Полностью выражение выглядит так: R = W < 100 ? 0: 6 Значение «R» равно 0, если W < 100 мм, и равно 6 мм, при любом другом значении «W». Таким образом, для «R» существует лишь два возможных значения либо «0», либо «6». Проверим это на вашем чертеже. Задайте переменной «W» значения большие или меньшие, чем 100, и посмотрите, что произойдет. Заметьте, что когда радиус скругления равен «0», радиальный размер автоматически исчезает. Программа сама следит за этим. Для того, чтобы оформить чертеж в соответствии с требованиями ЕСКД в него необходимо вставить основную надпись. Вставка основной надписи производится следующим образом: Текстовое меню Пиктограмма «Оформление|Основная надпись|Создать» В открывшемся диалоговом окне «Выбор основной надписи» выберем двойным щелчком ЛКМ основную надпись для первого листа конструкторского чертежа по ГОСТ 2.104-68 (рис. 1.39).
43
Рис. 1.39. Диалоговое окно «Выбор основной надписи». Заполним форматку необходимыми данными (рис. 1.40) и нажмем клавишу «Enter» или кнопку ОК в окне форматки. В результате чертеж должен принять рисунка 1.41.
Рис. 1.40. Заполнение основной надписи.
44
Рис. 1.41. Чертеж с основной надписью. После вставки основной надписи необходимо написать технические требования на деталь. Вставка в чертеж технических требования производится одним из следующих способов: Текстовое меню Пиктограмма «Оформление|Технические требования|Создать» В появившееся окно введем текст технических требований (рис. 1.42).
45
Рис. 1.42. Ввод текста технических требований. Для ввода дробей и специальных символов перейдем в режим редактирования текста в отдельном окне: Клавиатура Пиктограмма в автоменю
и «Дробь»
.
Рис. 1.43. Редактор текста.
46
Для подтверждения ввода текста нажмем графическую кнопку [ОК] в в автоменю. В результате окончаокне редактора текста и пиктограмму тельно оформленный чертеж должен иметь вид, показанный на рисунке 1.44.
Рис. 1.44. Оформленный чертеж. Создание параметрического чертежа завершено. Для распечатки чертежа вызовем команду «PT:Вывести чертеж на принтер»: Клавиатура Текстовое меню Пиктограмма «Файл|Печатать»
47
Рис. 1.45. Окно «Печать».
Рис. 1.46. Задание параметров печати. Ограничения, налагаемые на учебную версию T-FLEX CAD, позволяют распечатывать только чертежи формата А4 на обычных принтерах. При использовании полнофункциональной версии возможна также распечатка чертежей любого формата на плоттерах.
48
Работа №2 Расчет и проектирование круглых фасонных резцов в T-FLEX CAD Фасонные резцы относятся к классу сложнорежущих однолезвийных инструментов и широко применяются в машиностроении при обработке деталей, имеющих сложный профиль поверхностей. Проектировочный расчет фасонных резцов заключается в профилировании резца, определении размеров тела вращения или призматического тела, на основе которого изготовляется резец, и назначении геометрических и конструктивных параметров инструмента. Если фасонному резцу придать передний γ и задний α углы, равные нулю, и поставить такой резец при работе режущим лезвием на высоте центра вращения детали, то профиль такого резца будет полностью совпадать с профилем обрабатываемой детали. Однако на практике данное условие не может быть выполнено, так как резание любым металлорежущим инструментом, в том числе и фасонным резцом, с нулевым задним углом невозможно. В случае, когда α>0, размеры профилей изделия и инструмента не совпадают, что приводит к необходимости проведения коррекционных расчетов профиля фасонного резца. Известны два метода определения профиля фасонных резцов: графический и аналитический. Графические способы профилирования значительно проще и нагляднее аналитических. Основным средством определения профиля резца при использовании графического метода является расчетная схема, выполненная с высокой точностью. Основные размеры фасонного инструмента получаются путем измерения размеров на схеме и их последующего пересчета с учетом принятого масштаба. Основной недостаток графического метода проектирования заложен в его природе - точность результатов проектирования определяется точностью выполненных построений. В связи с этим графические построения на бумаге для проектирования фасонных резцов в настоящее время практически не применяются. При использовании аналитического метода измерения, выполняемые на расчетной схеме, заменяются последовательностью вычислений. Основное преимущество аналитического метода определения профиля фасонных резцов – практически неограниченная точность определения размеров. Недостатком этого метода является сложность расчета, особенно для криволинейных профилей. Основным средством проектирования фасонного инструмента при использовании графического метода является расчетная схема. Исполнительные размеры профиля фасонного резца определяются путем проведения
49
измерений на расчетной схеме, выполненной в большом масштабе с высокой точностью. При использовании аналитического метода проектирования, расчетная схема также применяется, но лишь как иллюстрация к аналитическим расчетам. Целью коррекционного расчета является определение координат узловых точек профиля фасонного резца в системе координат, связанной с инструментом. При этом при расчете круглого фасонного резца определяются радиусы узловых точек резца Ri. В качестве исходных данных коррекционного расчета используются значения радиусов узловых точек профиля детали ri в системе координат, связанной с деталью. При проектировании фасонного резца с точкой по центру изделия достаточно построения единственной расчетной схемы. Для вычерчивания расчетной схемы выполняются следующие построения (рис. 2.1): 1. Из точки О1, представляющей на схеме ось вращения детали, проводят ряд концентрических окружностей радиусами, равными радиусам узловых точек профиля детали (r1, r2, r3,...rn). Пересечение окружности минимального радиуса (радиуса r1) с горизонтальной прямой определяет точку T1 профиля детали. 2. На расстоянии h0, равном h0 = R1 sinα1 от горизонтальной прямой, проходящей через центр детали О1, проводят прямую, параллельную оси детали, и из точки T1 делают засечку на этой прямой радиусом R1. Таким образом определяют положение центра круглого резца (точки О0 расчетной схемы). 3. Из точки T1 под углом γ1 к горизонтальной прямой проводят прямую, представляющую на схеме переднюю поверхность резца, которая для фасонного резца с базовой точкой по центру является плоскостью. Все остальные узловые точки режущей кромки резца определяются как результат пересечения следа плоскости передней поверхности резца с окружностями соответствующих радиусов детали (точки T2, T3,...Tn). 4. Соединив точки T2, T3,...Tn с центром резца О0 и, опустив из точки О0 перпендикуляр на плоскость передней грани до пересечения с ней в точке K0, получим ряд прямоугольных треугольников, имеющих общий прямой угол в точке K0, общий катет H0, равный H 0 = R1 sin (α1 + γ 1 )
и гипотенузы, равные искомым радиусам узловых точек резца, то есть радиусам R2, R3,...Rn.
50
A10 A9 A8
R3,4,5,6,7
r8
R9 R10
C3,4,5,6,7
A1
R2 R8
A3,4,5,6,7 A2
R1
C8 C9 C10
r9 r10
r2 h
h0 O0 K O1
T1
H0 T10
r3,4,5,6,7
K0
γ1
r1 B10 B9 B8 B3,4,5,6,7 B2 B1
Рис. 2.1. Расчетная схема коррекции профиля круглого фасонного резца. 5. Опустив из центра детали (точки О1) перпендикуляр на след плоскости передней грани резца, получим точку K. Соединив отрезками центр детали О1 с точками T2, T3,...Tn, получим группу прямоугольных треугольников, имеющих общий прямой угол в точке K и общий катет h, равный h = r1 sin (γ 1 ) . 6. Для удобства дальнейших вычислений обозначим расстояния от точки K до каждой точки профиля резца символом А с соответствующим индексом (А1, А2,...Аn), а расстояния от точки T1 профиля до остальных уз-
51
ловых точек – символом C с индексом (C2, C3,... Cn). Наконец, расстояния от точки K0 до каждой из узловых точек профиля обозначаются символом B с соответствующим индексом: (B1, B2,...Bn). Проведенные построения завершают разработку расчетной схемы. При использовании графического метода проектирования, следующим шагом является измерение радиусов Ri. При использовании аналитического метода, следующим шагом является выполнение коррекционного расчета. Коррекционный расчет профиля круглого фасонного резца ведется в следующей последовательности: 1. Определяются вспомогательные величины h и H0, а также размеры А1 и B1 по следующим формулам: h = r1 sin (γ 1 ) , H 0 = R1 sin (α1 + γ 1 ) . (2.1) A1 = r1 cos(γ 1 ) , B1 = R1 cos(α1 + γ 1 ) . (2.2) 2. Определяются величины отрезков Аi, i=2...n по следующим формулам: sin (γ i ) =
3. муле: 4. муле:
h ri , Ai = ri cos(γ i ).
(2.3) Определяются величины отрезков Сi, i=2...n по следующей форCi = Ai − A1 .
(2.4) Определяются величины отрезков Bi, i=2...n по следующей форBi = B1 − Ci .
(2.5) 5. Определяются радиусы узловых точек резца Ri, i=2...n по следующей формуле: 2
2
Ri = H 0 + Bi .
(2.6) 6. Осевые размеры между узловыми точками профиля резца принимаются равными соответствующим размерам между узловыми точками профиля детали. Таким образом, в результате проведенного расчета становятся известны радиусы и осевые координаты всех узловых точек профиля фасонного резца. Для аналитического коррекционного расчета фасонных резцов на ПЭВМ можно использовать программы, написанные на универсальных языках программирования (Visual Basic, Delphi, C++ и др.), электронные таблицы (MS Excel) или специальные математические редакторы (Mathcad, Maple, Mathematica и др.). Возможности современных CAD систем, в частности T-FLEX CAD, позволяют производить коррекционный расчет фа-
52
сонных резцов графическим методом с точностью, не уступающей аналитическому. Цель работы: Научиться рассчитывать и проектировать круглые фасонные резцы в T-FLEX CAD графическим методом, используя возможности визуальной параметризации. Порядок выполнения лабораторной работы 1. Взять задание у преподавателя и спроектировать круглый фасонный резец в T-FLEX CAD графическим методом. 2. Произвести проверочный коррекционный расчет круглого фасонного резца аналитическим методом в математическом редакторе Mathcad. 3. Сравнить результаты графического и аналитического расчета. 4. Построить параметрический чертеж круглого фасонного резца в TFLEX CAD. 5. Изменяя размеры обрабатываемой детали по указанию преподавателя, проанализировать возможности использования визуальной параметризации при проектировании металлорежущих инструментов. 6. Распечатать чертеж и отчитаться по лабораторной работе. Пример выполнения работы Спроектируем в T-FLEX CAD круглый фасонный резец с точкой по центру с максимальным радиусом R1=40 мм; задним углом для базовой точки α1=10°; передним углом для базовой точки γ1=20°; предназначенный для обработки детали, изображенной на рисунке 2.2. Т3
Т2
Т1
∅40
∅30
Т4
40 50
Рис. 2.2. Обрабатываемая деталь.
53
Для коррекционного расчета профиля круглого фасонного резца с точкой по центру графическим методом в T-FLEX CAD необходимо выполнить следующие действия: 1. Определим ключевые точки обрабатываемой детали. Профиль детали имеет 3 ключевые точки. При этом, поскольку деталь имеет конический участок, режущая кромка резца, формирующая данный участок, будет иметь криволинейную форму. Для построения данной кривой необходимо добавить как минимум еще одну ключевую точку, находящуюся в середине линии проекции конического участка детали (точка Т2 на рис. 2.2). Так как проекции точек Т3 и Т4, на видах слева и справа совпадают, для определения диаметров ступеней резца достаточно выполнить коррекционный расчет только для одной из них, например Т3. 2. Выберем масштаб построений, необходимый для размещения чертежа на листе заданного формата. В нашем случае для листа формата А4 примем масштаб М1:1. 3. Запустим T-FLEX CAD 10 и создадим новый чертеж, сохранив его в каталог, указанный преподавателем, с именем вида 41ИС_Иванов2_1.grs, где 41ИС – название группы, Иванов – фамилия студента, 2 – номер работы, 1 – номер варианта, grb или grs – расширение, автоматически присваиваемое файлам T-FLEX CAD. 4. Вызовем команду «Построить прямую» (“Текстовое меню|Построения|Прямая”) и построим горизонтальную и вертикальную прямые (линии построения), пересекающиеся в некоторой точке О1 (оси . симметрии детали), выбрав в автоменю с помощью ЛКМ пиктограмму Координаты точки необходимо задать таким образом, чтобы рационально расположить построения на листе (рис 2.3). 5. Из точки О1, представляющей на схеме ось вращения детали, с помощью команды «Построить окружность» (“Текстовое меню|Построения|Окружность”) проведем три концентрические окружности радиусами, равными радиусам окружностей, которым принадлежат узловые точки профиля детали (r1=15 мм, r2=17,5 мм, r3=20 мм), выбрав в автоменю пиктограмму и создав соответствующие переменные r1 и r2. Для создания переменной необходимо вместо численного значения размера ввести его символьное обозначение и нажать клавишу «Enter» на клавиатуре. Если переменная с таким именем отсутствует, откроется форма вода значения переменной (рис. 2.4), которую необходимо заполнить.
54
Рис. 2.3. Построение оси симметрии детали.
Рис. 2.4. Ввод значения переменной. Пересечение окружности минимального радиуса (15 мм) с горизонтальной осью симметрии детали определяет базовую точку T1 профиля детали (рис. 2.5).
О1
Т1
Рис. 2.5. Определение базовой точки профиля детали.
55
6. На расстоянии h0 = R1 sin(α1 ) от горизонтальной прямой, проходящей через центр детали О1, с помощью команды «Построить прямую» проведем прямую, параллельную горизонтальной оси симметрии детали (пиктограмма в автоменю), и из точки T1 делаем с помощью команды «Построить в автоменю) засечку на этой прямой окружокружность» (пиктограмма ностью радиусом R1. Таким образом определяется положение центра круглого фасонного резца (точки О0 расчетной схемы) (рис 2.6).
T1
h0
О0
Рис. 2.6. Определение положения центра круглого фасонного резца. 7. Из точки T1 с помощью команды «Построить прямую» (пиктограмма в автоменю) под углом γ1 к горизонтальной прямой проведем прямую, представляющую на схеме переднюю поверхность резца, которая для фасонного резца с базовой точкой по центру является плоскостью. Все остальные узловые точки режущей кромки резца определяются как результат пересечения следа плоскости передней поверхности резца с окружностями соответствующих радиусов детали (точки T2 и T3) (рис 2.7).
56
Т1 Т 2
Т3
Рис. 2.7. Определение координат базовых точек круглого фасонного резца. 8. Построим с помощью команды «Построить окружность» окружность с центром в точке О0, проходящую через точку T2. 9. Измерив радиус построенной окружности с помощью команды «Создать размер» (“Текстовое меню|Чертеж|Размер”), определим радиус окружности резца, касающейся второй узловой точки детали T2 (пиктов автоменю) R2= 37,74 мм (рис. 2.8). грамма 10. Аналогично определим радиус окружности резца, касающейся третьей узловой точки детали T3: R3= 35,56 мм. Сравним результаты коррекционного расчета профиля круглого фасонного резца с точкой по центру графическим методом в T-FLEX CAD с результатами аналогичного расчета аналитическим методом в математическом редакторе Mathcad. Математический редактор Mathcad является одним из наиболее распространенных в мире программных продуктов, предназначенных для автоматизации математических вычислений. Его основным достоинством является способ программирования вычислений, основанный на близкой к традиционной форме записи математических формул. В Mathcad переменные, операторы и функции реализованы в интуитивной форме, т. е. выражения в редакторе вводятся и вычисляются так, как они были бы написаны на листе бумаги. Порядок вычислений в документе Mathcad также очеви-
57
ден: математические выражения и действия воспринимаются процессором слева направо и сверху вниз.
Рис. 2.8. Определение радиусов круглого фасонного резца. Запустим Mathcad и создадим новый документ, сохранив его в каталог, указанный преподавателем, с именем вида 41ИС_Иванов1.mcd, где 41ИС – название группы, Иванов – фамилия студента, 1 – номер варианта, mcd – расширение, автоматически присваиваемое документам Mathcad. Создадим программу по коррекционному расчету круглого фасонного резца с точкой по центру аналитическим методом, введя вначале исходные данные для расчета, затем запрограммируем необходимые вычисления (по формулам для аналитического коррекционного расчета круглого фасонного резца, приведенным выше) и вывод результатов расчета. Ввод оператора присваивания (:=), операторов арифметических действий, скобок и тригонометрических функций производится выбором соответствующих пиктограмм на панели инструментов Calculator (рис 2.9) или соответствующих клавиш на клавиатуре. Ввод греческих букв производится нажатием пиктограмм на панели инструментов Greek (рис 2.9). Ввод индексов переменных производится после нажатия пиктограммы на панели инструментов Matrix (рис 2.9).
58
Рис. 2.9. Панели инструментов Mathcad. При вводе исходных данных необходимо учитывать их размерность, например при вводе значения углов необходимо указать, что они заданы в градусах (degrees), так как по умолчанию в Mathcad углы измеряются в радианах. Для вывода результатов расчета достаточно еще раз набрать имя требуемой переменной и нажать клавишу «=» на клавиатуре. Ввести поясняющий текст в месте, указанном курсором в виде крестика, можно, используя верхнее меню (команда Insert|Text Region), либо сразу набирая текст с клавиатуры. При этом необходимо, чтобы был выбран русифицированный шрифт (имеющий в названии слово «Cyr»). Программа по коррекционному расчету круглого фасонного резца аналитическим методом в математическом редакторе Mathcad для нашего примера приведена на рисунке 2.10. Сохраним документ Mathcad. Результаты, полученные графическим методом, полностью совпадают с результатами аналитического расчета, что свидетельствует о их правильности. Приступим к построению параметрического чертежа в T-FLEX CAD. Диаметр посадочного отверстия резца dо выбирается из следующего ряда стандартных диаметров: 10; 13; 16; 22; 27; 32; 40; 50 мм. Толщина стенки фасонного резца определяется по формуле e = 0,4d 0 , мм. Диаметр буртика под рифления равен d = (1,5...1,7 )d 0 , мм. Высоту буртика под рифления примем равной 1…3 мм. Недостающие размеры элементов резца определим приблизительно, исходя из конструктивных соображений.
59
Рис. 2.10. Программа по коррекционному расчету круглого фасонного резца с точкой по центру в Mathcad. Вид сверху строим, используя проекционные связи, аналогично лабораторной работе №1. При построении на виде сверху проекции профиля ступени резца, формирующей конический участок заготовки, следует учесть, что для обеспечения прямолинейности образующей конуса на заготовке режущая кромка, как уже сказано выше, должна быть криволинейной. В связи с этим, проекцию режущей кромки на данном участке строим в виде кривой, проходящей через три узла, с помощью команды «SPline: Построить сплайн»: Клавиатура Текстовое меню Пиктограмма “Построения|Сплайн” <S>
60
На рисунке 2.11 показан список переменных, созданных при параметризации чертежа круглого фасонного резца. Изменяя координаты ключевых точек обрабатываемой детали (переменные r1, r2, r3, l1, l2), максимальный наружный диаметр (радиус) резца (переменная R1), радиус посадочного отверстия (переменная R0) мы можем автоматически, без проведения дополнительных расчетов и использования специальных программ, получать чертеж необходимого для обработки новой детали круглого фасонного резца.
Рис. 2.11. Переменные, созданные при параметризации чертежа. Обведя необходимые линии построения на схеме линиями изображения (“Текстовое меню|Чертеж|Изображение”) и оформив чертеж в соответствии с требованиями ЕСКД, мы получим параметрический чертеж круглого фасонного резца (рис. 2.12), предназначенного для обработки заготовок, имеющих коническую и цилиндрическую ступени. Обозначение шероховатости поверхности на чертеже создается с помощью команды «ROughness: Шероховатость»: Клавиатура Текстовое меню Пиктограмма “Чертеж|Шероховатость”
61
мер, допуски на отклонения формы и расположения поверхностей), на нем отсутствуют. После того, как чертеж будет окончательно оформлен, сохраним его.
Рис. 2.12. Параметрический чертеж круглого фасонного резца. Проектирование круглого фасонного резца с точкой по центру завершено.
62
Работа №3 Создание параметрических библиотек и баз данных инструмента в T-FLEX CAD Конфигурация библиотек является удобным средством организации работы с большими наборами чертежей, а также созданными библиотеками параметрических чертежей, которые могут быть использованы в качестве фрагментов. T-FLEX CAD имеет широкую библиотеку стандартных элементов, поставляемую вместе с самой программой. Библиотеки стандартных элементов позволяют ускорить процесс конструирования, дают конструктору возможность сконцентрировать свои усилия на реальном проектировании, а не на рисовании гаек, винтов, болтов и многого другого. Кроме того, средствами системы T-FLEX можно довольно легко самому создавать стандартные элементы, что предоставляет широкий набор возможностей. Возможность создания библиотек параметрических чертежей в TFLEX CAD позволяет существенно повысить эффективность проектирования металлообрабатывающего инструмента, который часто состоит из стандартизованных и нормализованных элементов (режущая часть, хвостовики, посадочные отверстия и т.п.). При наличии большого количества типоразмеров проектируемых деталей информация о их размерах, допусках на размеры, буквенных и цифровых обозначениях и т.д. в параметрических чертежах и 3D моделях TFLEX CAD может храниться в базах данных. База данных - это способ упорядоченного хранения данных. База данных представляет собой набор строк (записей). Каждая строка (запись) состоит из отдельных колонок (полей). Каждое поле идентифицируется своим именем. В T-FLEX существует два способа хранения данных. Первый - хранить данные во внешнем файле одного из стандартных форматов (например, формат dBASE). Такие файлы можно создавать как с помощью системы T-FLEX CAD, так и любыми другими программами, предназначенными для этого. Второй способ - хранить данные внутри конкретного чертежа. Этот метод позволяет осуществлять более быстрый доступ к необходимой информации, не загромождает дисковое пространство вспомогательными файлами и позволяет проще переносить чертежи с одного места на другое. Базы данных, хранящиеся вместе с чертежом, называются внутренними базами данных, все остальные - внешними базами данных. Внутренняя база данных имеет табличную организацию. Строки таблицы мы будем называть записями, а колонки - полями. Каждая запись
63
имеет свой номер. Первая запись имеет номер один, вторая - два, и так далее. Поле задается своим именем. Имя поля не должно состоять более чем из 10-ти символов. В качестве имени поля можно использовать любую последовательность из букв, цифр и знака подчеркивание ( _ ). Первым символом должна быть буква. Внутри одной базы данных все имена полей должны быть уникальны. Применение баз данных позволяет системе T-FLEX CAD при изменении в редакторе переменных только одного параметра (например, цифрового обозначения инструмента в соответствии с ГОСТ), мгновенно извлекать соответствующую данному инструменту запись из базы данных и в соответствии с ней автоматически изменять параметрический чертеж данного инструмента. Использование баз данных совместно с полной параметризацией чертежей обеспечивает многократное увеличение производительности труда конструктора-инструментальщика. Цель работы: Научиться создавать в T-FLEX CAD параметрические библиотеки и базы данных режущего инструмента. Порядок выполнения лабораторной работы 1. Взять задание у преподавателя и создать новую параметрическую библиотеку режущего инструмента. 2. Создать параметрический чертеж заданной разновидности режущего инструмента с внутренними базами данных. 3. Сформировать из чертежей, созданных студентами группы, параметрическую библиотеку. 4. Распечатать чертеж и отчитаться по лабораторной работе. Пример выполнения работы Рассмотрим в качестве примера создание параметрической библиотеки метчиков. Классификация видов метчиков в соответствии с ИСО 5967—81 представлена в таблице 3.1. Запустим T-FLEX CAD 10 и создадим для размещения файлов с параметрическими библиотеками на диске, указанном преподавателем, каталог «Режущий инструмент», содержащий в себе каталог «Метчики». Создадим новый чертеж под именем «Машинно-ручные с утолщенным хвостовиком» и сохраним его в папку «Метчики».
64
Таблица 3.1. Подгруппы Подвиды метчиков МашинноС утолщенным хвосторучные виком и конической переходной частью между хвостовиком рабочей частью С хвостовиком, диаметр которого приблизительно равен номинальному диаметру резьбы С хвостовиком, диаметр которого превышает или равен номинальному диаметру, с шейкой между хвостовиком и рабочей частью С уменьшенным диаметром хвостовика Метчики для станков автоматов (гаечные)
Метчики машинные для конических резьб
Для станка-автомата с удлиненным хвостовиком уменьшенного диаметра Для станка-автомата с удлиненным хвостовиком уменьшенного диаметра Для станка-автомата с удлиненным изогнутым хвостовиком уменьшенного диаметра Для станка-автомата изогнутым удлиненным ступенчатым хвостовиком уменьшенного диаметра С конической резьбой
Эскиз
65
Конфигурация библиотек отображается в служебном окне «Меню документов». Меню документов, как было сказано выше, представляет собой служебное окно, в котором пользователю предоставляется доступ к чертежам для их загрузки в качестве текущего чертежа, а также при вставке фрагментов и картинок. Видимостью окна меню документов на экране можно управлять в команде «Настройка|Окна» (пункт «Меню документов») или в меню, появляющемся при нажатии вне окна текущего чертежа. Откроем служебное окно «Меню документов», выбрав с помощью ЛКМ соответствующую заладку (рис. 3.1).
Рис. 3.1. Меню документов. Для создания новой конфигурации библиотек вызовем нажатием ПКМ в диалоговом окне «Меню документов» контекстное меню и выберем в нем пункт «Конфигурация библиотек|Новая». Сохраним файл новой конфигурации библиотек «Режущий инструмент.tws» в папку «Режущий инструмент». В окне «Меню документов» появится новая конфигурация библиотек «Режущий инструмент». Выделим ее и с помощью контекстного меню добавим в нее новую библиотеку «Метчики», указав папку, где будут находиться параметрические чертежи данной библиотеки (рис. 3.2).
66
Рис. 3.2. Создание новой библиотеки. Библиотека T-FLEX CAD хранит путь до каталога с чертежами типовых элементов. При выборе файла имеется возможность предварительного просмотра или просмотра свойств документа в отдельном окне. В T-FLEX CAD можно составлять конфигурации библиотек. В каждую конфигурацию могут входить неограниченное количество групп библиотек, которые в свою очередь могут включать в себя другие группы или библиотеки. Библиотека отображает список чертежей и файлов других форматов, с которыми работает программа. Группы могут иметь иерархическую структуру. Если группа содержит библиотеки, то она уже не может включать в себя другие группы. Если при открытии конфигурации папка, соответствующая библиотеке, не найдена, то иконка библиотеки помечается серым цветом и знаком вопроса. Если открыто несколько конфигураций, содержащих одноимённые библиотеки, то основной конфигурацией считается та, которая была открыта раньше. Иконки одноимённых библиотек, входящих в другие конфигурации, будут помечены голубым цветом. Если на экране нет окна меню документов, то операции создания и загрузки конфигураций библиотек не будут заметны явно, пока пользователь не выведет на экран это окно. Библиотека содержит путь на каталог диска, в котором хранятся файлы чертежей. Создадим параметрический чертеж машинно-ручного метчика с утолщенным хвостовиком по ГОСТ 3266-81 (рис. 3.3), содержащий внутреннюю базу данных. Для создания новой внутренней базы данных вызовем команду «IDatabase - База данных»: Клавиатура Текстовое меню Пиктограмма “Параметры|База Данных”
67
r
8°
Рис. 3.3. Машинно-ручной метчик с утолщенным хвостовиком по ГОСТ 3266-81. В открывшемся окне Редактора баз данных создадим новую базу данных («Файл|Новая база данных») с именем metchik1 (рис. 3.4). В данной базе данных создадим поля с именами nn, zz, PP, dd, LL, ll, l1l, l2l, d1d, dcd, fif, аа и lhl (рис. 3.5), соответствующие переменным: порядковому номеру записи n, обозначению метчика по ГОСТ 3266-81 z, шагу резьбы P, наружному диаметру резьбы d, общей длине L, длине резьбовой части l1, длине шейки l2, диаметру хвостовика d1, диаметру сердцевины dc, углу заборного конуса ϕ, стороне квадрата хвостовика a и длине квадрата хвостовика lh, показанным на рисунке 3.3. Лишняя буква в имени поля предназначена для того, чтобы отличать имя поля во внутренней базе данных от соответствующего имени переменной в параметрическом чертеже.
Рис. 3.4. Создание новой внутренней базы данных.
68
Рис. 3.5. Создание нового поля во внутренней базе данных. При определении свойств поля базы данных тип переменной устанавливаем следующим образом: для порядкового номера записи - целое, для обозначения метчика – текстовое, для остальных переменных – вещественное с количеством знаков после запятой не менее 4. Добавление новых полей в таблицу производится с помощью пиктограмм или в окне Редактора баз данных. Заполним внутреннюю базу данных metchik1 данными из таблиц 3.2 и 3.3 (рис. 3.6.), в которых прведены размеры машинно-ручных метчиков с утолщенным хвостовиком по ГОСТ 3266-81.
Рис.3.6. Внутренняя база данных metchik1.
69
Таблица 3.2.
70
Продолжение таблицы 3.2.
71
Окончание таблицы 3.2.
72
Таблица 3.3. Диаметр резьбы метчика d, мм
Диаметр сердцевины метчика dс, мм
Число стружечных канавок z
Радиус стружечной канавки r, мм
1,0 1,1 1,2 1,4 1,6 1,8 2,0 2,2 2,5 3,0
0,45 0,50 0,55 0,65 0,70 0,80 0,90 1,00 1,15 1,40
3
0,3
Размеры хвостовика метчика (рис. 3.7) в соответствии с ГОСТ 9523-84 приведены в таблице 3.4.
Рис. 3.7. Размеры хвостовика метчика по ГОСТ 9523-84. Добавление новых строк в таблицу базы данных производится путем в окне Редактора баз данных. выбора пиктограммы После того, как база данных заполнена, приступим к созданию переменных параметрического чертежа. Вначале создадим переменные, по которым будет производиться поиск данного метчика в базе данных. Такими переменными будут диаметр и шаг нарезаемой резьбы, а так же угол заборного конуса, определяющий, будет ли данный метчик использоваться для нарезания резьб в глухих или сквозных отверстиях. Поскольку данные размеры метчиков стандартизованы ГОСТ 3266-81, их задание наиболее удобно производить выбором из списка. Откроем окно редактора переменных и создадим новую переменную P. В поле «Выражение» создадим новый список («Список|Создать|Текст»). Заполним его значениями шагов
73
резьб для машинно-ручных метчиков с утолщенным хвостовиком по ГОСТ 3266-81 (см. табл. 3.2) (рис. 3.8). Таблица 3.4.
Рис. 3.8. Список шагов резьбы для машинно-ручных метчиков с утолщенным хвостовиком. Теперь ввод величины шага резьб будет производиться выбором из списка стандартных значений (рис. 3.9).
74
Рис. 3.9. Выбор значения шага резьбы из списка. Аналогично создаем списки диаметров нарезаемой резьбы и углов заборного конуса. Созданных переменных P, d и fi достаточно для того, чтобы однозначно определить номер записи в базе данных, соответствующей данному типоразмеру метчика. Создадим новую переменную n, соответствующую данному номеру записи. Для получения номера записи в базе данных, соответствующего заданному условию, используется функция MS Visual Basic rec(Условие), где Условие - выражение, принимающее значение истина или ложь. Выражение может содержать в качестве операндов обращения к полям базы данных. В качестве Условия в нашем случае используется идентичность значений полей внутренней базы данных metchik1 PP, dd и fif значениям переменных P, d и fi параметрического чертежа (рис. 3.10). Результатом вызова функции является номер записи во внутренней базе данных metchik1, соответствующей заданному типоразмеру метчика.
Рис. 3.10. Поиск номера записи в базе данных по Условию. Найдя номер записи n с параметрами заданного метчика мы можем считать необходимые параметры метчика из соответствующей записи базы данных с помощью функции MS Visual Basic val(Номер записи,Поле базы данных), где номер записи - любое арифметическое выражение, значением которого является целое число; поле базы данных - это обращение к полю. (рис. 3.11). Все переменные, необходимые для построения параметрического чертежа машинно-ручного метчика с утолщенным хвостовиком, созданы. Приступим к построению параметрического чертежа. Поскольку главный
75
вид метчика симметричен относительно своей оси, целесообразно построить только одну его половину (рис. 3.12), а другую создать с помощью команды «XS: Копировать с симметрией»: Клавиатура Текстовое меню Пиктограмма “Чертёж|Копия|Симметрия” <X><S>
Рис. 3.11. Переменные, необходимые для построения параметрического чертежа машинно-ручного метчика с утолщенным хвостовиком.
Рис. 3.12. Построение верхней половины главного вида. Система находится в ожидании выбора элементов изображения. Выберем с помощью нажатия ЛКМ копируемые элементы и подтвердим выв автоменю. Система предложит выбрать бор нажатием пиктограммы первую и вторую точку оси симметрии, которыми будут являться крайняя левая и крайняя правая точки главного вида метчика (рис. 3.13). Построение главного вида завершено.
76
Рис. 3.13. Построение нижней половины главного вида с помощью симметрии. Поскольку на виде слева имеются проекции трех одинаковых зубьев, вначале построим проекцию одного зуба (рис. 3.14). Для создания проекций двух других зубьев воспользуемся командой «XR: Круговой массив». Клавиатура Текстовое меню Пиктограмма <XR> “Чертеж|Массив|Круговой”
Рис. 3.14. Построение одного зуба на виде слева. Система находится в ожидании выбора элементов изображения. Выберем с помощью нажатия ЛКМ копируемые элементы и подтвердим выбор нажатием пиктограммы в автоменю. В служебном окне «Свойства» (рис. 3.15) укажем способ задания кругового массива «Количество и общий угол», количество создаваемых элементов n=3 и общий угол массива 360°. Теперь система ожидает указания центра массива – требуется выбрать 2D узел. Переместим курсор к центральному узлу вида слева и нажмем ЛКМ, затем нажмем пиктограмму в автоменю. Круговой массив создан. Полученный параметрический чертеж машинно-ручного метчика с утолщенным хвостовиком приведен на рисунке 3.16. Он может быть использован как для создания рабочих чертежей метчиков, так и в качестве
77
параметрического фрагмента при создании, например, операционных эскизов. Сохраним чертеж и закроем его.
Рис. 3.15. Создание кругового массива.
Рис. 3.16. Параметрический чертеж машинно-ручного метчика с утолщенным хвостовиком. Один из элементов параметрической библиотеки режущего инструмента создан. Для ее дальнейшего наполнения достаточно скопировать в созданную нами библиотеку параметрические чертежи других нормализованных и стандартизованных режущих инструментов. Для открытия чертежа из параметрической библиотеки достаточно найти его в окне «Меню документов» и два раза нажать ЛКМ. Откроем чертеж и заменим значения диаметра и шага нарезаемой резьбы на 1 и 0,25 мм соответственно. Масштаб чертежа на закладке «Общие» окна «Параметры документа» зададим 4:1. Оформим чертеж в соответствии с ЕСКД и сохраним его под именем вида 41ИС_Иванов3_1.grs, где 41ИС – название группы, Иванов – фамилия студента, 3 – номер работы, 1 – номер варианта задания, grs– расширение, автоматически присваиваемое файлам в учебных версиях T-FLEX CAD. Упрощенный чертеж машинно-ручного метчика с утолщенным хвостовиком для нарезания резьбы М1×0,25 по ГОСТ 3266-81 приведен на рисунке 3.17.
78
Рис. 3.17. Метчик для нарезания резьбы М1×0,25. Создание параметрической библиотеки метчиков завершено.
79
Работа № 4 Исследование влияния параметров станочного зацепления на геометрию зубчатых колес и зуборезного инструмента и средствами T-FLEX CAD 2D В настоящее время существует множество вариантов изготовления зубчатых колес. В их основу положены два принципиально отличных метода: метод копирования, при котором рабочие кромки инструмента по форме соответствуют обрабатываемой поверхности (конгруентны ей, т. е. заполняют эту поверхность как отливка заполняет форму ); метод огибания, при котором инструмент и заготовка за счет кинематической цепи станка выполняют два движения - резания и огибания (под огибанием понимается такое относительное движение заготовки и инструмента, которое соответствует станочному зацеплению, т. е. зацеплению инструмента и заготовки с требуемым законом изменения передаточного отношения). Из вариантов изготовления по способу копирования можно отметить: Нарезание зубчатого колеса профилированной дисковой или пальцевой фрезой (проекция режущих кромок которой соответствует конфигурации впадин). При этом методе резание производится в следующем прядке: прорезается впадина первого зуба, затем заготовка с помощью делительного устройства (делительной головки) поворачивается на угловой шаг и прорезается следующая впадина. Операции повторяются пока не будут прорезаны все впадины. Производительность данного способа низкая, точность и качество поверхности невысокие. Отливка зубчатого колеса в форму. При этом внутренняя поверхность литейной формы конгруентна наружной поверхности зубчатого колеса. Производительность и точность метода высокая, однако при этом нельзя получить высокой прочности и твердости зубьев. В связи с этим в промышленности наибольшее применение нашло изготовление зубчатых колес методом огибания. Из вариантов изготовления по способу огибания наибольшее распространение имеют: Обработка на зубофрезерных или зубодолбежных станках червячными фрезами или долбяками. Производительность достаточно высокая, точность изготовления и чистота поверхностей средняя. Можно обрабатывать колеса из материалов с невысокой твердостью поверхности. Накатка зубьев с помощью специального профилированного инструмента. Обеспечивает высокую производительность и хорошую чистоту поверхности. Применяется для пластичных материалов, обычно на этапах черновой обработки. Недостаток метода образование наклепанного по-
80
верхностного слоя, который после окончания обработки изменяет свои размеры. Обработка на зубошлифовальных станках дисковыми кругами. Применяемся как окончательная операция после зубонарезания (или накатки зубьев) и термической обработки. Обеспечивает высокую точность и чистоту поверхности. Применяется для материалов с высокой поверхностной прочностью. При изготовлении зубчатого колеса по способу огибания (например, нарезанием червячными фрезами или долбяками) профили его зубьев образуются как огибающие к семейству положений профилей зубьев производящего колеса (инструмента). Если производящее колесо имеет зубья с эвольвентными профилями, то на заготовке в результате обработки по этому способу также получают зубья с эвольвентными профилями. При этом производящий контур инструмента (сечение производящего колеса плоскостью, перпендикулярной оси заготовки) – торцевое сечение обрабатываемого колеса образуют плоское эвольвентное зацепление, называемое станочным. Если радиус основной окружности производящего колеса увеличить до бесконечности, то эвольвентное колесо преобразуется в рейку с прямолинейными профилями зубьев. Такие профили зубьев просты и технологичны, позволяют изготовлять инструмент с высокой точностью. Поэтому зуборезный инструмент с реечным производящим контуром получил широкое распространение. Аналогичный инструмент второго порядка применяется и при изготовлении зуборезного инструмента, например долбяков. Способ огибания позволяет одним и тем же инструментом обрабатывать колеса с различными числами зубьев и разной формой профиля зуба, которая определяется не только геометрией инструмента, но и его расположением относительно заготовки. Для сокращения номенклатуры режущего инструмента стандарт устанавливает нормативный ряд модулей и определенные соотношения между размерами элементов зуба. Эти соотношения определяются: для зубчатых колес определяются параметрами исходной рейки через параметры ее нормального сечения - исходный контур; для зубчатого инструмента определяются параметрами исходной производящей рейки через параметры ее нормального сечения - исходный производящий контур. Параметры исходного производящего контура инструмента определяют по параметрам стандартного исходного контура ГОСТ 13755-81 (рис. 4.1). Производящий контур заполняет впадины исходного контура, как отливка форму, с сохранением радиального зазора между вершинами зубьев исходной рейки и впадинами производящей. Величина этого зазора
81
и радиус скругления производящего контура во впадине ГОСТом не регламентируются. На рис. 4.1 обозначены параметры исходного контура: угол главного профиля α = 20°; коэффициент высоты головки h*a =1; коэффициент высоты ножки h*f =1,25; коэффициент глубины захода h*l = 2,0 ; коэффициент радиального зазора с*= 0,25 ; коэффициент радиуса переходной кривой r*f = 0,38 . Эти коэффициенты определяют размеры производящего контура в долях модуля m. Для специальных целей и в стандартах других стран используются исходные контуры с углами профиля α = 15°; 25°; 30° и коэффициентом h*a = 0,8; 0,9; 1,1; с*= 0,2; 0,3; 0,4 (при этом большим значениям α соответствуют меньшие значения h*a).
Рис. 4.1 Параметры исходного производящего контура инструмента по ГОСТ 13755-81 В зависимости от того, как располагается делительная прямая инструмента по отношению к делительной окружности обрабатываемого колеса, получают зубчатые колеса, обработанные без смещения, с положительным или отрицательным смещением инструмента. Смещением x m называют кратчайшее расстояние от делительной прямой инструмента до делительной окружности колеса, где x – коэффициент смещения. Схема станочного зацепления колеса и инструмента с производящим контуром, совпадающим с исходным производящим контуром, изображена на рисунке 4.2.
82
Схема обработки зубчатых колес без смещения, с положительным и отрицательным смещением приведена на рисунке 4.3.
Рис.4.2. Схема станочного зацепления колеса и инструмента с исходным производящим контуром.
Рис. 4.3. Схема обработки колес без смещения, с положительным и отрицательным смещением.
83
При формировании методом огибания зубчатого колеса без смещения (хi m = 0) в станочном зацеплении начальными являются делительная прямая инструмента и делительная окружность колеса. Так как их перекатывание друг по другу происходит без скольжения, по делительной окружности нулевого колеса толщина зуба равна ширине впадины: s=ei=0,5pm. Зубчатое колесо с положительным смещением можно получить, если удалить инструмент в радиальном направлении от оси заготовки. На делительной окружности колеса с положительным смещением толщина зуба больше ширины впадины: s>ei и s>0,5p m. Зубчатое колесо с отрицательным смещением можно получить, если инструмент из положения с нулевым смещением переместим к оси нарезаемого колеса. На колесе с отрицательным смещением s<ei и s<0,5p m. В процессе формирования эвольвентного зуба по способу огибания, в зависимости от взаимного расположения инструмента и заготовки возможно срезание эвольвентной части профиля зуба той частью профиля инструмента, которая формирует переходную кривую. Условие, при котором это возможно, определяется из схемы станочного зацепления. Участок линии зацепления, соответствующий эвольвентному зацеплению В1 Вl (см. рис. 4.2) определяется точками пересечения линии станочного зацепления с окружностью вершин В1 и прямой граничных точек Вl . Изменение величины смещения инструмента изменяет и положение точки Вl на линии зацепления. И, если точка, Вl выйдет за пределы отрезка В1N, определяющего зону сопряженного контакта профилей инструмента и колеса, произойдет подрезание зуба. При этом инструмент срезает часть главного профиля, уменьшая толщину зуба у основания, снижая его прочность на излом. Степень подрезания зуба зависит от смещения, диаметров производящего контура инструмента и числа зубьев колеса. При нулевом смещении минимальное число зубьев колеса, нарезаемое без подрезания, Z min =
2ha* sin 2 α
(4.1)
Из этой формулы видно, что при неизменном h*a =1 с уменьшением α увеличивается Zmin: α =15° , Zmin = 30; α =20° , Zmin= 17; α =30° , Zmin = 8. Без подрезания колесо с числом зубьев z меньшим Zmin , можно обработать, если инструменту придать смещение, большее или равное минимальному: mx ≥ mxmin , где xmin = ha*
Z min − z Z min
(4.2)
84
Если при нарезании зубчатого колеса увеличивать смещение, то основная и делительная окружность не изменяют своего размера, а окружности вершин и впадин увеличиваются. При этом участок эвольвенты, который используется для профиля зуба, увеличивает свой радиус кривизны и профильный угол. Толщина зуба по делительной окружности увеличивается, а по окружности вершин уменьшается. С увеличением смещения толщина зуба по окружности вершин sa уменьшается и может принять нулевое, а теоретически и отрицательное значение (sa ≤ 0). Последнее происходит в том случае, когда точка пересечения разноименных (правого и левого) профилей зуба оказывается ниже окружности вершин dai. Для термообработанных зубчатых колес с высокой поверхностной прочностью зуба заострение вершины зуба является нежелательным, так как может привести к его разрушению. В связи с этим максимальное значение коэффициента смещения xmax определяют по заострению зубьев колеса, исходя из необходимости обеспечивать выполнение условия sa ≥ [sa] , где [sa] - минимально допустимая толщина зуба по окружности вершин. Выбор [sa] определяется материалом зубчатого колеса, способом его термообработки и условиями эксплуатации передачи. Это значение может находиться в пределах от 0,2m до 0,45m. Из теории эвольвентного зацепления известно аналитическое выражение для расчета толщины зуба по окружности вершин cos α ⎡ π ⎤ sa = m (4.3) + Δ + z (invα − invα a )⎥ ⎢ cos α a ⎣ 2 ⎦ где invα a = tgα a − α a ; ⎛ db ⎞ ⎟⎟ – угол профиля зуба по окружности вершин da; ⎝ da ⎠
α a = arccos⎜⎜
d b = d ⋅ cos α - диаметр основной окружности; d = mz - диаметр делительной окружности; Δ = 2 x ⋅ tgα .
При условии, что коэффициент уравнительного смещения, обеспечивающий стандартный радиальный зазор в зацеплении, ∆y=0, диаметр колеса по окружности вершин d a = m(z + 2h*f + 2 x ) (4.4) Толщина зуба по делительной окружности ⎛π ⎞ s = m⎜ + 2 x ⋅ tgα ⎟ (4.5) ⎝2
⎠
Диаметр впадин
d f = m(z − 2ha* + 2 x )
(4.6)
85
Аналитический расчет рациональных параметров станочного зацепления весьма трудоемок и требует применения специального программного обеспечения. Система T-FLEX CAD позволяет геометрически сымитировать процесс формирования зубьев зубчатых колес методом огибания с помощью встроенной функции анимирования чертежей и 3D моделей. Анимация - эффективный механизм, помогающий при проектировании изделия. С помощью анимации можно анализировать поведение кинематических механизмов и взаиморасположение деталей сборочных конструкций. Создание анимации является логическим продолжением работы с параметрической моделью, позволяет моделировать работу кинематических механизмов, записывать и анализировать процесс разнесения элементов сборочной конструкции. Возможность решения этих задач является ещё одним преимуществом использования параметризации при создании как отдельных деталей, так и сложных сборочных моделей. Анализ параметрической модели с помощью анимации позволяет предотвратить появление ошибок ещё на ранней стадии проектирования изделия. Использование в анимации перемещаемой камеры позволяет создать сложные реалистические ролики с эффектом приближения/удаления камеры или вращения точки просмотра. В процессе анимации система отображает состояние модели при последовательном изменении её параметров. Необходимым условием для создания анимации является наличие переменных, влияющих на изменяемые параметры детали. Например, если необходимо, чтобы в процессе анимации деталь вращалась относительно точки привязки, то назначается переменная, значение которой равно значению угла поворота. То есть при построении модели пользователь должен определить изменяемые параметры (геометрическая форма или положение элементов) и назначить переменные, отвечающие за них. Результаты анимации не могут быть использованы при дальнейших построениях, однако они могут быть сохранены в виде метафайлов T-FLEX CAD. Метафайлы T-FLEX CAD являются графическим образом чертежа TFLEX, не требуют параметрического пересчета и быстро выводятся на экран, но не могут быть отредактированы. Метафайл содержит изображение, получаемое в результате анимации чертежа в окне 2D вида. При сохранении метафайлы имеют расширение bmf. Метафайл может быть вставлен в чертеж T-FLEX CAD в качестве нередактируемого графического объекта (картинки). Вставленный в чертеж T-FLEX CAD графический объект при этом имеет связь с исходным метафайлом и изменяется при его изменении (замене одного метафайла другим, имеющим такое же имя). При анализе результатов анимации процесса формирования зубьев зубчатых колес методом огибания можно не только визуально оценить
86
форму образуемых зубьев и сделать выводы о наличии подрезания и заострения вершин, но и определить их геометрические параметры путем измерения средствами T-FLEX CAD 2D. Для определения рациональных параметров станочного зацепления при формировании зубьев зубчатых колес и зуборезного инструмента методом огибания целесообразно построить графики зависимостей толщин зуба по делительной окружности и окружности вершин от коэффициента смещения по результатам моделирования. В системе T-FLEX CAD имеется особый тип объекта - «График». График представляет собой функцию из набора точек в собственной двухмерной системе координат, соединённых ломаной или гладкой кривой. Этот универсальный инструмент предназначен для задания зависимостей различного рода, например, для задания переменной нагрузки в модулях инженерного анализа или создания параметрической зависимости на основе массива чисел из какой-либо базы данных. Также графики используются для хранения и отображения результатов динамического анализа. В редакторе переменных графики можно использовать для получения значений параметров, задаваемых ими. В графическом виде также можно задавать законы масштабирования или кручения в операции «3SW: По траектории», в свойствах эквидистантного 3D пути для задания отступа эквидистанты, в операции «3DE: Сглаживание рёбер» для задания переменного радиуса. Графики создаются и хранятся в документе вместе с чертежом и 3D моделью. Для создания и редактирования графиков в системе имеется специальный редактор. Он позволяет работать с массивом точек и их координатами, имеет возможность множественного выбора, работы с буфером обмена (копирования/вставки), отмены/повтора действий, управления раздельными масштабами по осям, перетаскивания точек и т.д. Цель работы: Научиться проектировать инструмент и технологию формирования зубьев зубчатых колес и зуборезного инструмента методом огибания геометрическим моделированием в T-FLEX CAD, используя возможности анимации и построения графиков. Порядок выполнения лабораторной работы 1. Взять задание у преподавателя и спроектировать параметрическую графическую модель формообразования эвольвентных зубьев зубчатых колес методом огибания исходным производящим контуром; 2. Смоделировать путем анимирования параметрической модели процесс профилирования зубчатого колеса методом огибания для трех значе-
87
ний смещения + mx, 0 и – mx, сохранив результаты анимации в виде метафайлов T-FLEX CAD; 3. Измерить для всех трех случаев толщины зубьев по делительной окружности s и окружностям вершин sa (толщины измерять приближенно по хорде); 4. Построить для стандартного исходного контура графики зависимостей sa =f(x) и s =f(x) по результатам моделирования. Определить область xmin<x<xmax, в пределах которой можно обработать заданное колесо стандартным инструментом без подрезания и заострения. 5. Распечатать чертежи и отчитаться по лабораторной работе. Пример выполнения работы Смоделируем в T-FLEX CAD процесс формирования зубьев зубчатого колеса модулем m=10 мм с количеством зубьев z=14 методом огибания исходным контуром, изображенной на рисунке 4.1. Для графического моделирования процесса формирования зубьев зубчатого колеса методом огибания исходным контуром необходимо выполнить следующие действия: 1 Запустим T-FLEX CAD 10 и создадим новый чертеж, сохранив его в каталог, указанный преподавателем, с именем вида 41ИС_Иванов4_1.grs, где 41ИС – название группы, Иванов – фамилия студента, 4 – номер работы, 1 – номер варианта, grs – расширение, автоматически присваиваемое чертежам учебной версии T-FLEX CAD. 2 Построим параметрическую 2D модель процесса формирования эвольвентных зубьев зубчатого колеса методом огибания исходным производящим контуром (рис. 4.4), создав при этом следующие переменные: m = 10 мм – модуль; z = 14 - число зубьев колеса; P = πm , мм - шаг зубьев исходного производящего контура; mz мм – радиус делительной окружности; 2 ha = m – высота головки исходного производящего контура; h f = 1,25m - высота ножки исходного производящего контура; r=
x = 0,2 – коэффициент смещения исходного производящего контура; t = 10 - параметр анимации; α = t ° - угол поворота исходного производящего контура относитель-
но осей симметрии зубчатого колеса при анимации;
88
20°
20°
20°
20°
20°
20°
20°
20°
20° 20° ha
x⋅m
hf
P/2 P/2
P/2
P/2
P/2
P/2
P/4 P/4
r
δ
α
Рис. 4.4. Параметрическая модель процесса формирования эвольвентных зубьев зубчатого колеса методом огибания исходным производящим контуром. δ1 = −
πrα 180
; - длина дуги делительной окружности зубчатого колеса,
соответствующая повороту исходного производящего контура на угол α. mδ 1 n step - целая часть выражения ; 2
δ 2 = δ 1 - 2n step m - вспомогательная переменная; - δ если α > 0 δ= 2 - смещение исходного производящего контура по δ 2 если α ≤ 0 касательной к делительной окружности зубчатого колеса при анимации. Список переменных модели при этом будет иметь вид, изображенный на рисунке 4.5.
89
Рис. 4.5. Список переменных модели. Построенная модель представляет собой параметрический чертеж исходного производящего контура по ГОСТ 13755-81, имеющего возможность при изменении параметра анимации совершать движение огибания с заданным передаточным отношением, геометрически имитирующее нарезание эвольвентных зубьев зубчатых колес. Передаточное отношение задается исходя из того, что при повороте исходного производящего контура относительно центра симметрии зубчатого колеса на угол 360°/z, он должен смещаться по касательной к делительной окружности колеса в направлении, противоположном направлению вращения, на величину шага P. 3 Вызовем команду «АN: Анимировать модель»: Клавиатура Текстовое меню Пиктограмма “Параметры|Анимация”
90
Рис. 4.6. Задание параметров анимации. После запуска анимации T-FLEX, изменяя значение параметра анимации от начального до конечного значения с заданным шагом, сформирует на экране след перемещения исходного производящего контура (рис. 4.7,а), представляющий собой графическую модель процесса формообразования зубьев зубчатого колеса методом огибания с положительным смещением. Изображение, аналогичное видимому на экране в окне 2D вида, будет сохранено и в метафайле 02.bmf. Для выхода из режима анимации необходимо нажать клавишу [Esc]. Аналогично создадим метафайлы с изображением процесса формирования зубьев зубчатого колеса методом огибания исходным контуром без смещения (рис. 4.7,б) и с отрицательным смещением x=-0,2 (рис. 4.7,в), присвоив им имена 0.bmf и _02.bmf соответственно. На полученных графических моделях (рис. 4.7,в и г) визуально заметно наличие подрезания ножки зуба при обработке со смещениями x=0 и x=-0,2. 4 Для измерения диаметров окружностей впадин, толщины зубьев по делительной окружности и окружностям вершин у зубчатого колеса, нарезанного со смещением исходного контура на 1 мм создадим новый чертеж T-FLEX CAD и вставим в него метафайл 02.bmf с помощью команды «IPicture: Картинка»: Клавиатура
Текстовое меню “Чертёж|Картинка”
Пиктограмма
91
а
б
в Рис. 4.7. Геометрическая модель процесса формирования эвольвентных зубьев зубчатого колеса методом огибания исходным производящим контуром. Активизировав команду, с помощью пиктограммы или кнопки
92
Рис. 4.8. Окно «Параметры картинки». Полученное графическое изображение, распечатанное на плоттере, может использоваться, например, для контроля точности изготовления зубчатых колес и зуборезного инструмента в качестве шаблона на оптическом проекторе. На полученном графическом изображении зубчатого колеса, используя горизонтальную и вертикальную линии построения, построим линии симметрии, тщательно выверив их расположение точно по центру колеса. Затем от полученного на пересечении линий симметрии центра координат отложим делительную окружность, окружности вершин и впадин с диаметрами, рассчитанными по формулам (4.4) и (4.6) соответственно. Используя построенные окружности, а также вспомогательные вертикальные или горизонтальные линии построения, проведенные через точки пересечения данных окружностей с профилем зубьев, измерим толщины зубьев по делительной окружности s и окружностям вершин sa (рис. 4.9). Аналогично измеряем толщины зубьев по делительной окружности s и окружности вершин sa у зубчатых колес, полученных методом огибания исходным контуром без смещения и со смещением x=-0,2. 5 По результатам измерений построим график зависимости толщины зуба по делительной окружности от коэффициента смещения. Работа с графиками осуществляется через специальное диалоговое окно-менеджер «Графики», в котором отображается список всех графиков в текущем документе и кнопки для запуска всех необходимых команд. Для построения графика вызовем менеджер «Графики» с помощью команды «PL: Графики»: Клавиатура Текстовое меню Пиктограмма “Параметры|Графики”
93
Рис. 4.9. Измерение толщины зубьев по делительной окружности s и окружностям вершин sa В открывшемся окне менеджера нажмем графическую кнопку [Создать график…] и укажем с помощью ЛКМ тип соединения узловых точек графика: «Гладкая кривая». При этом будет создан новый пустой график, которому будет по умолчанию присвоено имя «График_0» (рис. 4.10).
Рис. 4.10. Создание нового графика. Для изменения свойств созданного графика нажмем графическую кнопку [Свойства…] в окне менеджера графиков. В открывшемся диалоговом окне «Свойства графика» изменим название графика на «График_s»,
94
в качестве обозначения аргумента укажем букву «X», в качестве обозначения функции букву «S» (рис. 4.11). Визуальное соотношение единиц функции и аргумента (масштаб по осям абсцисс и ординат) выберем таким образом, чтобы размер графика по горизонтали был больше размера по вертикали примерно в 2 раза для рационального изображения его на экране монитора. При диапазоне изменения коэффициента смещения 0,4 и толщины зуба по делительной окружности 17 в рассматриваемом случае данное соотношение примем равным
0,4 ≈ 0 ,01 . Остальные свойства оставим за17 ⋅ 2
данными по умолчанию и подтвердим задание значений параметров графика нажатием кнопки [ОК].
Рис. 4.11. Окно «Свойства графика». После задания свойств нового графика необходимо построить его, указав координаты узловых точек. Сделать это можно в редакторе графиков. Нажмем графическую кнопку [Редактировать…] в окне менеджера графиков. При этом откроется окно редактора графиков (рис. 4.12). Основную часть окна редактора занимает рабочее поле, в котором отображаются графики. Рабочее поле для удобства разлиновано автоматически масштабируемой координатной сеткой. Перемещение и масштабирование изобра-
95
жения осуществляется при помощи колеса Scroll lock «мыши» – так же, как при черчении в T-FLEX CAD.
Рис. 4.12. Окно редактора графиков. По краям рабочего поля отображается координатная линейка. Этой линейкой можно пользоваться так же, как и в окне чертежа T-FLEX CAD – для перемещения и масштабирования изображения. Справа от рабочего поля расположена таблица координат узловых точек графика. Для создания первого узла графика поместим курсор в область таблицы и совершим два щелчка ЛКМ. В открывшемся диалоговом окне «Новый узел» укажем координаты первой точки графика зависимости толщины зуба по делительной окружности от коэффициента смещения (рис. 4.12). Аналогично создадим две других узловых точки графика (рис. 4.13). Изменять положение точки графика можно также при помощи курсора, "хватая" за точку при помощи ЛКМ, и перетаскивая её на новое место. Завершив построение графика зависимости толщины зуба по делительной окружности от коэффициента смещения закроем окно редактора графиков, нажав пиктограмму с крестиком в его верхнем правом углу и подтвердив необходимость сохранения внесенных изменений.
96
Рис. 4.13. График зависимости толщины зуба по делительной окружности от коэффициента смещения. График зависимости толщины зуба по окружности вершин от коэффициента смещения строится аналогично (рис. 4.14). Поскольку нам необходимо посмотреть оба построенных графика в одной системе координат, соотношение единиц функции и аргумента у обоих графиков должно быть одинаковым. Новому графику присвоим название «График_sa». Для одновременного редактирования нескольких графиков нужно одновременно выделить их в менеджере графиков с помощью ЛКМ при нажатой клавиши <Shift> и также использовать графическую кнопку [Редактировать…] (рис. 4.15). Все выбранные графики одновременно отобразятся в редакторе (рис. 4.16). При этом один из них будет активным и доступным для редактирования. Для переключения между графиками используется выпадающий список с названиями графиков.
97
Рис. 4.14. График зависимости толщины зуба по окружности вершин от коэффициента смещения
Рис. 4.15. Одновременное редактирование двух графиков.
98
Рис. 4.16. Графики зависимостей толщин зуба по делительной окружности и окружности вершин от коэффициента смещения. Из построенных графиков видно, что для изготовления зубчатого колеса с числом зубьев z=14 и модулем m=10 мм с точки зрения исключения подрезания ножки и заострения вершины зуба наиболее рациональным является диапазон смещений x = 0,15…0,2. Моделирование процесса формирования зубьев зубчатого колеса методом огибания исходным контуром завершено.
99
Работа №5 Основы создания параметрических 3D моделей и чертежей на их основе в T-FLEX CAD В системе T-FLEX CAD существуют различные подходы к созданию 3D модели. Можно создавать 3D модель на основе готовых 2D чертежей и с помощью вспомогательных 2D-построений. Более перспективен другой метод, являющийся в T-FLEX CAD 3D основным, который заключается в том, что все построения производятся в окне 3D вида. Затем, если требуется, независимо от способа создания 3D модели, можно получить чертежи, спроецировав необходимые виды, разрезы, сечения, на которые можно проставить требуемые размеры и элементы оформления. Созданные в системе трехмерные поверхностные и твердотельные модели легко модифицируются, так как T-FLEX CAD 3D базируется на двумерной версии пакета. При параметрическом изменении двумерного чертежа автоматически изменяется его трехмерное представление. Цель работы: Научиться разрабатывать в T-FLEX CAD параметрические 3D модели основным способом и создавать на их основе двухмерные чертежи. Порядок выполнения лабораторной работы 1. Самостоятельно выполнить пример, приведенный в методических указаниях к лабораторной работе. 2. По заданию, выданному преподавателем, создать параметрическую 3D модель. 3. Создать двухмерный чертеж по данной модели. 4. Распечатать чертеж и отчитаться по лабораторной работе. Пример выполнения работы Рассмотрим в качестве примера моделирование детали «Фланец» (рис. 5.1), используемой в многошпиндельной сверлильной головке. Проанализируем геометрию детали «Фланец». Сложную по форме деталь можно условно разбить на несколько простых по форме фигур, которые могут быть сформированы при моделировании с помощью отдельных 3D операций T-FLEX CAD:
100
Рис. 5.1. Деталь «Фланец». 1. Тело вращения, образующее основное тело детали. 2. Круговой массив крепежных отверстий на торце. 3. Коническая фаска в отверстии. В соответствии с этим, создание модели детали производится в несколько этапов: − Создаются вспомогательные элементы. − Создаётся вращение, образующее первое тело. − Строятся новые вспомогательные профили для операции выталкивания на основе грани существующего тела. − Производится булева операция – из тела вращения производится операция выталкивания. − Создаётся фаска при помощи команды «Сглаживание». Создадим новую 3D модель с помощью команды «F3: Создать новую 3D модель»: Клавиатура Текстовое меню Пиктограмма
101
Рис. 5.2. Стандартные рабочие плоскости. Увеличивать и уменьшать изображение можно в любой момент с помощью колесика «мыши» Scroll Lock, или же используя специальные команды на панели «Вид» (см. рис. 0.1). Если подвести курсор к изображению рабочей плоскости, она изменит свой цвет. В системе T-FLEX CAD при работе в окне 3D вида все элементы подсвечиваются при наведении на них курсора. Для выбора элемента достаточно нажать ЛКМ. Настроить список элементов, которые будут подсвечиваться и выбираться при работе мышкой, можно с помощью команды «Filter: Селектор», которую можно вызвать из контекстного меню, появляющегося при нажатии ПКМ в окнах 2D или 3D видов. Создание операции вращения. Первое тело, которое нужно создать, это тело вращения. Для его создания требуется 3D контур и ось, вокруг которой будет вращаться этот контур. 3D контуры строятся на рабочих плоскостях. Выберем («активизируем») рабочую плоскость «Вид слева». Для того чтобы перейти к черчению на рабочей плоскости, необходимо навести на нее указатель «мыши»,
102
нажать ПКМ и в открывшемся контекстном меню выбрать пункт «Чертить на рабочей плоскости». Теперь можно заметить, что стали доступными команды 2D черчения. Они будут применяться для создания вспомогательных элементов в окне 3D вида. Одновременно откроется панель «Управление активной рабочей плоскостью» (рис. 5.3).
Рис. 5.3. Активная рабочая плоскость. При построениях на активной рабочей плоскости в окне 3D вида можно применять все инструменты для двухмерного черчения. Соответственно, для создания полностью параметрической модели необходимо создавать сначала линии построения, затем линии изображения. На основе начерченных линий изображения система может автоматически построить 3D профиль, который затем можно использовать в дальнейших 3D операциях. В режиме черчения в окне 3D вида режим вращения сцены, позволяющий поворачивать рабочие плоскости, включает и выключает пиктограмма на панели «Управление активной рабочей плоскостью». Увеличивать и уменьшать изображение можно в любой момент с помощью колесика Scroll Lock или же используя специальные команды на панели «Вид». Также имеется возможность открыть 2D окно и продолжать черчение в этом режиме. После закрытия 2D окна все изменения можно увидеть в 3D
103
сцене. Открыть и закрыть 2D окно можно нажатием на пиктограмму на панели «Управление активной рабочей плоскостью». Используя команды параметрического 2D черчения, построим на рабочей плоскости «Вид слева» профиль, необходимый для выполнения 3D операции «Вращение» (рис. 5.4). Для выхода из активной рабочей плоскона панели «Управсти в окно 3D вида необходимо нажать пиктограмму ление активной рабочей плоскостью». В окне 3D вида появятся созданные нами 3D профиль и ось вращения (рис. 5.5).
L=100 мм
r1=20 мм
r2=40 мм
R1=60 мм
R=100 мм
b=20 мм
Рис. 5.4. Создание контура тела вращения на рабочей плоскости.
104
Рис. 5.5. 3D профиль. Для создания тела вращения вызываем команду «3RO: Создать вращение»: Клавиатура Текстовое меню Пиктограмма <3>
в автоменю), а затем вторую (пик-
тограмма в автоменю) точки оси вращения профиля. Укажем с помощью ЛКМ 3D узлы созданной нами оси вращения и выберем пиктограмму в автоменю, как только она станет доступной. По умолчанию T-FLEX повернет профиль на 360° вокруг указанной оси. При необходимости угол поворота профиля и другие параметры 3D операции могут быть указаны в служебном окне «Свойства» или в диалоговом окне «Параметры операции», вызываемом выбором пиктограммы в автоменю или кнопкой
105
Рис. 5.6. Построение тела вращения. Создание отверстий. Следующей операцией является построение шести отверстий в заготовке. Для этого снова понадобится 2D черчение – для построения вспомогательных элементов. Удобнее всего начертить их на одной из граней созданной 3D модели. Для выбора переднего торца фланца подведем курсор к нужному элементу модели – он подсветится. В этот момент следует нажать ПКМ и в выпавшем контекстном меню выбрать пункт «Чертить на грани» (см. рис. 5.7). В результате выполнения операции создана новая рабочая плоскость на основе плоской грани. На эту плоскость автоматически была спроецирована выбранная грань. Снова активен режим черчения на рабочей плоскости в 3D окне. Дальнейшие построения можно привязать к элементам проекции.
106
Рис. 5.7. Выбор грани для создания рабочей плоскости. На вновь созданной рабочей плоскости начертим окружность, соответствующую проекции на данную рабочую плоскость одного из крепежных отверстий (рис. 5.8) и выйдем в окно 3D вида. Далее можно пойти двумя путями: либо начертить на рабочей плоскости круговой массив из 6 окружностей, затем их вытолкнуть и вычесть из тела детали с помощью булевой операции, либо вытолкнуть всего одну окружность, затем создать 3D массив вращения и также вычесть его из тела детали с помощью булевой операции. В первом случае выполняется меньше операций по достижению конечного результата. Во втором случае можно добиться существенного сокращения времени пересчета модели.
107
ro
Ro
Рис. 5.8. Построения проекции крепежного отверстия. Рассмотрим второй вариант. Для построения модели одного отверстия необходимо вызвать команду «3X: Создать выталкивание»: Клавиатура Текстовое меню Пиктограмма <3><X> “Операции|Выталкивание” Система запросит указать профиль (пиктограмма в автоменю). Укажем с помощью ЛКМ созданный 3D профиль отверстия и установим в окне свойств в качестве параметра его выталкивания «вытолкнуть до грани», что обеспечит выталкивание данного 3D профиля до указанной грани. С помощью ЛКМ укажем грань, до которой выталкивается профиль (рис. 5.9) и подтвердим создание операции «Выталкивание» с помощью в автоменю. Модель одного отверстия создана. пиктограммы Для создания нужного количества копий отверстий удобно воспользоваться командой «3AR: Круговой массив». Клавиатура Текстовое меню Пиктограмма <3>
108
Рис. 5.9. Задание параметров выталкивания модели отверстия Система находится в ожидании выбора элементов изображения. Подведем курсор к модели отверстия (тело «выталкивание_0») и нажмем ЛКМ для ее выбора. Больше элементов выбирать не нужно, поэтому нажимаем пиктограмму в автоменю. В диалоговом окне «Свойства» (рис. 5.10) укажем способ задания кругового массива «количество копий и общий угол», количество создаваемых элементов n=6 и общий угол массива 360°. Теперь система ожидает указания оси массива. Укажем с помощью ЛКМ два 3D узла, задающие ось в автоменю. Круговой массив создан. детали и выберем пиктограмму Вырезать созданные модели отверстий из в 3D модели фланца можно с помощью булевой операции «вычитание» (команда «3B: Создать булеву операцию»): Клавиатура Текстовое меню Пиктограмма <3> “Операции|Булева операция” Булевы операции позволяют из твердых тел получать новые тела с помощью действий сложения, вычитания и пересечения. Булева операция «Вычитание» позволяет получить в качестве результирующего тела часть первого операнда, которая не является общей для первого и второго операндов. Выберем тип булевой операции «вычитание» с помощью клавиши <-> или пиктограммы в автоменю. В качестве первого операнда выбираем тело «Вращение_0», а в качестве второго тело «Круговой массив_2» (рис. 5.11). Для подтверждения создания булевой операции выбираем пиктограмму в автоменю. Булева операция создана.
109
Рис. 5.10. Задание параметров кругового массива.
Рис. 5.11. Предварительный просмотр выталкивания массива отверстий.
110
Создание сглаживания Окончательный этап создания 3D модели – создание фаски. Вызовем команду «3DE: Сглаживание ребер»: Клавиатура Текстовое меню Пиктограмма “Опера<3>
Рис. 5.12. Выбор ребра для создания фаски. Результат операции показан на рисунке 5.13. 3D модель создана. История создания 3D модели отображается в виде иерархического дерева 3D модели в служебном окне «3D модель» (см. рис. 5.13). Используя дерево 3D модели можно изменять параметры 3D операций, удалять и перемещать операции и т.д.
111
Рис. 5.13. 3D модель детали «Фланец». Несмотря на все более широкое применение при проектировании 3D моделирования, основным результатом проектно-конструкторских работ в современном машиностроении пока являются двухмерные чертежи, распечатанные в бумажном виде. Их создание в T-FLEX CAD 3D при наличии 3D модели является несложным делом. Создадим 2D чертеж детали «Фланец» на основе разработанной 3D модели. Откроем окно 2D вида. Сделать это можно с помощью команды «WSR: Разделить окно по вертикали»: Клавиатура Текстовое меню Пиктограмма <WSR> “Окно|Разделить по вертикали” Система запросит, какое окно мы собираемся создать. Указав, что необходимо создать окно 2D вида, нажмем графическую кнопку [OK}. При этом будет создано окно 2D вида, разделенное с окном 3D вида по вертикали. В качестве параметров созданного документа (Текстовое меню|Настройка|Статус) установим: размер страницы А4, ориентация вертикальная, масштаб 1:2. Создадим в окне 2D вида основную надпись в соответствии с ГОСТ 2.104-68. В созданном окне 2D вида можно получить проекции и разрезы на основе имеющейся в окне 3D вида модели. Для создания полного представления о форме и размерах данной детали достаточно одного вида сзади и разреза на виде сбоку. Начнем создание чертежа с вида сзади. Вызовем команду создания проекций «3J: Построить 2D проекцию»: Клавиатура Текстовое меню Пиктограмма <3J> “Чертеж|2D проекция”
112
В автоменю выберем опцию «Создать стандартный вид» (пиктограмма ). В появившемся диалоговом окне «Тип стандартной проекции» выберем «Вид сзади» и нажмем графическую кнопку [ОК]. В центре 2D чертежа появится синий прямоугольник, описывающий габариты создаваемой проекции «Вид сзади». Для того, чтобы разместить проекцию на чертеже более удачно, поместим курсор внутри прямоугольника, нажмем и отпустим ЛКМ. Теперь проекция может перемещаться вместе с курсором (рис. 5.14). Переместим ее несколько выше и вновь нажмем и отпустим ЛКМ, зафиксировав проекцию в нужном месте.
Рис. 5.14. Размещение главного вида на чертеже. Для подтверждения создания проекции выберем пиктограмму в автоменю и графическую кнопку [OK] в появившемся затем окне с предупреждением о невозможности использования создаваемой проекции в 3D построениях. Для построения разреза необходимо построить вспомогательные линии. Указав в центр проекции создадим горизонтальную прямую линию
113
построения, проходящую по оси симметрии проекции «Вид сзади»(рис. 5.15).
Рис. 5.15. Создание горизонтальной прямой, проходящей по оси симметрии. Вызовем команду создания окружности построения и построим линию построения – окружность на базе внешней окружности-линии изображения, принадлежащей проекции. Для этого подведем курсор к данной линии изображения и нажмем ЛКМ. Теперь к местам пересечения линий построения можно привязать точки сечения. Вызовем команду создания обозначения вида: «SE: Создать обозначение вида» Клавиатура Текстовое меню Пиктограмма <SE> “Чертеж|Обозначение вида ” При включенной пиктограмме в автоменю выберем последовательно две точки – пересечения линии и окружности. Для подтверждения создания обозначения сечения выберем пиктограмму в автоменю (рис. 5.16). Для получение разреза на основе созданного 2D сечения вызовем команду создания 2D проекции «3J: Построить 2D проекцию». В автоменю последовательно выберем следующие опции: <2> Создать разрез или сечение <M>
Выбрать обозначение вида для создания 2D проекции
114
Рис. 5.16. Создание плоскости сечения. Укажем курсором на обозначение сечения А-А, созданное ранее, и нажмем ЛКМ. К курсору теперь привязан прямоугольник, описывающий габариты создаваемого разреза. Двигая курсором, вы перемещаете проекцию, причем сохраняется проекционная связь. Для фиксации положения нажмем ЛКМ. Для завершения создания проекции выберем пиктограмму в автоменю (рис. 5.17).
Рис. 5.17. Создание разреза.
115
На созданный чертеж нанесем осевые линии, используя команду «АХ: Создать обозначения осей». Клавиатура Текстовое меню Пиктограмма <X> “Чертеж|Оси” Нанести осевые линии для окружности можно, выбрав в автоменю ) и указав с опцию «Две оси окружности или эллипса» (пиктограмма помощью ЛКМ данную окружность на чертеже. Нанести осевую линию для двух прямых можно, выбрав в автоменю опцию «Создать ось двух линий» (пиктограмма ). Затем необходимо выбрать с помощью ЛКМ две прямые линии изображения, для которых создаваемая осевая линия является осью симметрии и еще две прямые, которые ограничивают длину создаваемой линии, или подтвердить создание осевой линии, выбрав пиктограмму в автоменю. Созданный чертеж необходимо оформить в соответствии с требованиями ЕСКД, используя размеры, элементы оформления, обозначения шероховатости поверхности и т.д. (см. рис 5.18). 2D чертеж на основе 3D модели создан. Изменим в редакторе переменных значение наружного диаметра фланца (параметр R) на 110 мм и обновим 3D модель нажатием пиктона панели «Вид». Затем в 2D окне подведем курсор, например граммы к одной из линий проекции «Вид сверху» и нажмем ПКМ. В выпавшем контекстном меню выберем пункт Проекция⏐Обновить проекцию. В результате в окне 2D вида будет получен чертеж фланца с наружным диаметром 220 мм, что обеспечивается наличием односторонней связи между 3D моделью и созданным на ее основе 2D чертежом, обеспечивающей изменение данного 2D чертежа при изменении модели.
116
Рис. 5.18. Чертеж детали «Фланец».
117
Работа №6 Проектирование резьбонакатных роликов в T-FLEX CAD с использованием оптимизации 3D модели Одним из наиболее перспективных способов формообразования резьб является обработка пластическим деформированием – резьбонакатывание. Сущность процесса резьбонакатывания состоит в том, что витки инструмента, внедряясь в поверхность заготовки, выдавливают металл из впадин в выступы, формируя профиль резьбы. Для получения относительно длинных резьб на универсальных металлорежущих станках широкое применение нашло накатывание с осевой подачей аксиальными резьбонакатными головками (рис. 6.1). В качестве резьбообразующего инструмента в аксиальных резьбонакатных головках используются резьбонакатные ролики с кольцевыми витками. Ролики имеют заборную часть, витки которой за счет последовательного вхождения в контакт с локальным участком заготовки формируют профиль резьбы, и калибрующую часть, обеспечивающую окончательное формообразование профиля резьбы. В резьбонакатной головке установлены, как правило, три ролика, реже четыре или шесть. Кольцевые витки каждого следующего ролика комплекта смещены относительно витков предшествующего ролика на 1/n, где n – число роликов. Часто ролики имеют двустороннюю заборную часть, что позволяет повысить их долговечность за счет переустановки. Выход резьбонакатных роликов из строя чаще всего происходит в результате износа или выкрашивания наиболее нагруженных витков заборной части. В промышленности нашли широкое применение резьбонакатные ролики с прямолинейной образующей заборной части. Прямолинейную заборную часть имеют, например, ролики к резьбонакатным головкам типа ВНГН. Ролики с прямолинейной образующей заборной части просты в изготовления и имеют относительно низкую стоимость. Заборная часть с прямолинейной образующей характеризуется постоянной величиной радиального подъема (текущего радиального обжатия) каждого последующего витка. Поскольку каждому последующему витку приходится деформировать канавку, сформированную предыдущим витком, нагрузка на витки постоянно нарастает, что приводит к значительной неравномерности их нагружения. В связи с этим такие ролики отличаются низкой стойкостью, а при накатывании ими резьбы возникают большие крутящие моменты. Чаще всего у подобных роликов выкрашивается переходный виток между заборной и калибрующей частью.
118
А А , I– й р о л и к β
β
D
ин
P /3
А , II – й р о л и к β
1 /3 δ h 3 1 /3 δ h 2 L за б о р н
L ка л и б р
1 /3 δh 1 h3
h2
P /3 h1
А , I II– й р о л и к β
Рис. 6.1. Схема аксиальной резьбонакатной головки и комплекта роликов к ней.
119
Поскольку силы, действующие на виток резьбонакатного инструмента, прямо пропорциональны мгновенной площади пятна контакта данного витка с заготовкой (МПК), для повышения стойкости необходимо профилировать заборную часть резьбонакатных роликов, обеспечивая равномерность площади пятна контакта инструмента и заготовки для всех ее витков. Определение МПК при резьбонакатывании требует решения задачи о пересечении сложных по форме трехмерных тел и определении площади поверхности криволинейной формы. Для аналитического решения подобной задачи необходимо решение системы нелинейных уравнений и вычисление поверхностного интеграла, что возможно только для некоторых простых случаев, не имеющих практической ценности. Определить МПК при резьбонакатывании можно, используя возможности современных систем 3D моделирования, например T-FLEX CAD 3D, имеющих встроенные функции измерения площадей поверхности и объемов сложных пространственных тел, основанные на использовании численных методов решения систем нелинейных уравнений и вычисления определенных интегралов. Цель работы: Научиться проектировать ролики для накатывания резьбы аксиальными резьбонакатными головками в T-FLEX CAD, используя возможности трехмерного моделирования и оптимизации. Порядок выполнения лабораторной работы 1. Взять задание у преподавателя и построить геометрическую 3D модель процесса накатывания резьб аксиальной резьбонакатной головкой. 2. Оптимизировать построенную модель для проектирования резьбонакатных роликов повышенной стойкости. 3. Построить параметрический чертеж комплекта резьбонакатных роликов. 4. Распечатать чертеж и отчитаться по лабораторной работе. Пример выполнения работы Рассмотрим в качестве примера проектирование комплекта из 3-х роликов для накатывания метрической резьбы М27х2 (рис. 6.2). Наружный диаметр резьбонакатных роликов 80 мм, ширина 20 мм, диаметр посадочного отверстия роликов 40 мм. Диаметр заготовки под накатывание резьбы 25,7 мм. Заборная часть каждого ролика комплекта состоит из одного витка.
120
0,62
0,65
60°
1 2
Рис. 6.2. Профиль метрической резьбы шагом 2 мм по ГОСТ 9150-2002. Запустим T-FLEX CAD и создадим новую 3D модель, сохранив ее в каталог, указанный преподавателем, с именем вида 41ИС_Иванов6_1.grs, где 41ИС – название группы, Иванов – фамилия студента, 6 – номер работы, 1 – номер варианта, grs – расширение, автоматически присваиваемое файлам учебной версии T-FLEX CAD. Для упрощения модели и сокращения машинного времени на ее пересчет при оптимизации, при геометрическом моделировании n-ое количество роликов можно представить как один ролик с заборной частью, длина которой в n раз больше длины заборной части каждого ролика комплекта. Таким образом, для проектирования профиля заборной части комплекта резьбонакатных роликов необходимо создать параметрическую 3D модель, состоящую из 2-х тел вращения – заготовки с накатываемой резьбой и резьбонакатного ролика, имеющего 3 витка заборной части. Метрическую резьбу для упрощения построений можно приближенно представить как треугольную с углом при вершине 60°. Для упрощения процесса моделирования можно так же принять, что угол подъема резьбы равен 0°, т. е. витки резьбы заготовки также кольцевые. Методика расчета рационального профиля заборной части резьбонакатных роликов следующая: Вначале задается некоторое значение начального радиального обжатия δh1 (глубины внедрения первого витка инструмента в заготовку). Затем производится расчет текущих радиальных обжатий, обеспечивающих равенство МПК, для второго и третьего витков. Если формируемый при этом всеми тремя витками профиль резьбы на заготовке выше или ниже установленных чертежами резьбы предельных значений, начальное радиальное обжатие корректируется в большую или меньшую сторону, в зависимости от того меньше или больше суммарное радиальное обжатие требуемой глубины внедрения, и расчет повторяется. Для создания 3D модели заготовки начертим на рабочей плоскости «Вид слева» 2D профиль заготовки с накатываемой резьбой (рис. 6.3). Профиль заготовки должен иметь проекции кольцевых канавок, последовательно формируемых витками заборной части, с учетом выпучивания металла при внедрении витков инструмента в заготовку.
121
rзаг
y
δh4Kh
δh3Kh δh3
δh2
δh2Kh δh1
δh1Kh
x Р
α
Рис. 6.3. 2D профиль заготовки на рабочей плоскости «Вид слева».
122
Выпучивание учитывается с помощью коэффициента высоты выдавленного профиля Kh, равного отношению высоты выпучивания к глубине внедрения инструмента в заготовку (текущему радиальному обжатию). При накатывании наружных резьб коэффициент высоты выдавленного профиля можно принять равным 0,7. Начальные значения текущих радиальных обжатий для первого, второго и третьего витков заборной части и первого витка калибрующей, который так же осуществляет деформацию металла, (δh1, δh2, δh3 и δh4) принимаем, например, равными 0,40; 0,20; 0,15 и 0,10 мм соответственно. Завершив построение профиля заготовки выйдем из рабочей плоскости «Вид слева» в 3D окно, выбрав на панели «Управление активной рабочей плоскостью» пиктограмму . Затем с помощью команды «Создать вращение» создаем 3D модель заготовки (рис. 6.4). Для того, чтобы повернуть профиль вокруг своего в ребра, указываем вначале первую точку данного ребра (пиктограмма автоменю), а затем вторую (пиктограмма в автоменю). Подтверждение создания 3D операции с заданными параметрами производится выбором в автоменю пиктограммы .
Рис. 6.4. 3D модель заготовки.
123
Для построения 3D модели резьбонакатного ролика необходимо создать новую рабочую плоскость с помощью команды «3W: Построить рабочую плоскость»: Клавиатура Текстовое меню Пиктограмма <3><W> “Построения|Рабочая плоскость” После вызова команды укажем, что создаваемая рабочая плоскость должна быть параллельна рабочей плоскости «Вид слева» (пиктограмма в автоменю). В служебном окне «Свойства» укажем, что создаваемая плоскость должна находится от рабочей плоскости «Вид слева» на расстоянии rзаг+ rин- h4, где h4=δh1+δh2+δh3+δh3 - накопленное радиальное обжатие для четвертого витка резьбы заготовки, и подтвердим ее создание выбором в автоменю пиктограммы . На новой рабочей плоскости (по умолчанию – «Рабочая плоскость_3») строим 2D профиль, необходимый для создания 3D модели резьбонакатного ролика (рис. 6.5). Поскольку шаг резьбы сравнительно небольшой, а ширина роликов определяется исходя из посадочных размеров резьбонакатной головки, с целью экономии материала ролики целесообразно сделать двухсторонними. Созданный профиль поворачиваем вокруг оси вращения ролика и получаем геометрическую 3D модель накатывания резьбы с осевой подачей (рис. 6.6). Для того чтобы определить площадь пятна контакта инструмента и заготовки необходимо найти объемы металла, деформируемого каждым витком резьбонакатного инструмента, представляющие собой общую часть 3D моделей инструмента и заготовки. Это можно сделать с помощью булевой операции «Пересечение» (“Текстовое меню|Операции|Булева”), выбрав в автоменю пиктограмму (рис 6.7). Для расчета рационального профиля заборной части необходимо измерить площади пятна контакта каждого витка заборной части с заготовкой и подобрать такие значения текущих радиальных обжатий для этих витков, которые обеспечат равенство площадей. Площадь поверхности в TFLEX CAD может быть измерена с помощью команды «РМ: Провести измерения»: Клавиатура Текстовое меню Пиктограмма
124
rотв
rин
y
B
δh3
δh2
δh4
x
Р
α/2
α/2
Рис. 6.5. 2D профиль резьбонакатного ролика на рабочей плоскости «Рабочая плоскость_3».
125
Рис. 6.6. 3D модель накатывания треугольной резьбы с осевой подачей.
Sk1
Sk2
Sk3
Sk4
Рис. 6.7. Объемы деформируемого металла при резьбонакатывании. После вызова команды выберем в автоменю пиктограмму «Измерить параметр одного элемента» , а затем укажем с помощью ЛКМ боковую грань контакта первого витка заборной части с заготовкой, площадь которой необходимо измерить (рис. 6.8). С учетом симметрии полученных булевой операцией «Пересечение» объемов, площадь грани, выбранной так, как показано на рисунке 6.8, будет равна МПК первого витка инструмента и
126
заготовки, поскольку при накатывании резьбы контакт инструмента и заготовки происходит только по передней поверхности инструмента (за инструментом остается уже сформированная резьбовая канавка).
Рис. 6.8. Измерение МПК первого витка. После этого необходимо указать в служебном окне «Свойства» измеряемый параметр («свойство») элемента area (площадь поверхности) и создать переменную Sk1, равную МПК первого витка заборной части с заготовкой. Создание новой переменной подтвердим с помощью выбора пиктограммы в автоменю. Аналогично создаются переменные Sk2, Sk3 и Sk4, равные площади пятна контакта второго и третьего витков инструмента с заготовкой. Затем создаем вспомогательные переменные ΔSk2 = ⎥Sk1 – Sk2⎥, ΔSk3 = ⎥Sk1 – Sk3⎥ и ΔSk4 = ⎥Sk1 – Sk4⎥, характеризующие неравномерность нагружения соответствующих витков. В результате список переменных должен принять вид, приведенный на рис. 6.9.
127
Рис. 6.9. Список переменных параметрической 3D модели накатывания резьбы с осевой подачей. Все необходимые переменные определены. Приступаем к формированию заданий на оптимизацию. Оптимизация моделей осуществляется с помощью команды «PO: Оптимизировать модель»: Клавиатура Текстовое меню Пиктограмма <Р><О> “Параметры| Оптимизация ” После вызова команды на экране появляется окно «Задания на оптимизацию». Для ввода нового задания на оптимизацию в данном окне нажмем графическую кнопку [Добавить]. При этом на экране появляется диалоговое окно «Параметры оптимизации» (рис. 6.10). В данном окне необходимо задать целевую функцию, для которой будет осуществляться оптимизация; переменную, значения которой будут изменяться при оптимизации, и алгоритм оптимизации. Первым заданием на оптимизацию в нашем случае будет расчет текущего радиального обжатия второго витка заборной части, обеспечивающего равенство МПК первого и второго витков заборной части резьбонакатного ролика.
128
Рис. 6.10. Формирование первого задания на оптимизацию. Целевой функцией для первого задания является условие равенства МПК второго первого витка заборной части (то есть равенство нулю вспомогательной переменной ΔSk2). Для указания переменной, значение которой будет оптимизироваться, необходимо нажать на графическую кнопку [Добавить], находящуюся в поле «Переменные» диалогового окна «Параметры оптимизации» (рис. 6.10). В открывшемся окне «Добавление переменной» выбираем из списка переменную δh2 (текущее радиальное обжатие второго витка заборной части), задаем интервал его изменения от 0 до 0,5 мм и подтверждаем ввод нажатием графической кнопки [ОК] в окне «Добавление переменной». Для выбора алгоритма оптимизации нажмем графическую кнопку [Алгоритм] в окне «Параметры оптимизации» (рис. 6.10). При этом на экране открывается окно «Параметры алгоритма оптимизации» (рис. 6.11). Поскольку функция Sk2=f(δh2) имеет простую структуру и в данном диапазоне изменения переменной δh2 монотонно возрастает, для ускорения расчетов в качестве метода оптимизации выбираем «Быстрый поиск». Для повышения точности расчетов и избежания ошибок используем для выбора начального приближения при оптимизации предварительный анализ с 10
129
вызовами функции. Остальные параметры алгоритма оставляем заданными по умолчанию. Выбор подтверждаем нажатием графической кнопки [ОК] в диалоговом окне «Параметры алгоритма оптимизации».
Рис. 6.11. Выбор алгоритма оптимизации. Запуск оптимизации по первому заданию должен осуществляться пользователем. Все параметры первого задания на оптимизацию определены. Нажимаем графическую кнопку [ОК] в диалоговом окне «Параметры оптимизации». Аналогичным образом формируем задания на оптимизацию текущих радиальных обжатий третьего и четвертого витков. Приступаем к расчету рационального профиля заборной части. Для этого в окне «Задания на оптимизацию» выбираем первое задание (рис. 6.12) и нажимаем графическую кнопку [Выполнить]. Система T-FLEX начинает оптимизацию 3D модели в соответствии с заданием. При этом на экране открывается информационное окно (рис. 6.13), информирующее пользователя о ходе процесса оптимизации и найденном лучшем значении параметра оптимизации.
130
Рис. 6.12. Запуск оптимизации по первому заданию.
Рис. 6.13. Информационное окно при оптимизации модели. После того, как лучшее решение будет найдено, информационное окно примет вид, изображенный на рис. 6.14. В данном окне приведено новое значение переменной δh2, наилучшим образом удовлетворяющее целевой функции, т.е. обеспечивающее равенство МПК первого и второго витков заборной части. Новое значение переменной δh2 автоматически присваивается соответствующему размеру в 3D модели.
131
Рис. 6.14. Вид информационного окна после завершения оптимизации по первому заданию. Закрываем информационное окно нажатием графической кнопки [ОК] и приступаем к выполнению второго и третьего задания оптимизации. Полученное в результате оптимизации радиальных обжатий суммарное радиальное обжатие для всех витков заборной части hΣ=δh1+δh2+δh3+δh4= 0,40+0,175+0,108+0,087=0,77 мм, что достаточно для формирования полного профиля резьбы. Производить пересчет не требуется. После завершения расчета профиля заборной части по 3D модели необходимо распределить рассчитанные значения текущего радиального обжатия по всем роликам комплекта. Текущее радиальное обжатие 1-го витка ролика 3D модели будет являться текущим радиальным обжатием 1-го витка 1-го ролика комплекта, 2-го витка – 1-го витка 2-го ролика комплекта, 3-го витка – 1-го витка 3-го ролика комплекта, 4-го витка – 2-го витка 1го ролика комплекта. Все необходимые расчеты закончены. Переходим в окно 2D вида и строим параметрический чертеж комплекта резьбонакатных роликов (рис. 6.15).
132
Рис. 6.15. Чертеж комплекта резьбонакатных роликов. Полученный параметрический чертеж позволяет при изменении геометрических размеров резьбы и посадочных размеров инструмента получать рабочий чертеж комплекта резьбонакатных роликов с рациональным профилем заборной части без применения специальных расчетных программ. Проектирование комплекта резьбонакатных роликов к 3-х роликовой аксиальной резьбонакатной головке с рациональным профилем заборной части завершено.
133
Работа №7 Разработка рациональной конструкции элементов технологической оснастки с помощью моделирования их напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов в T-FLEX CAD 3D. В настоящее время в области конструирования и эксплуатации режущего инструмента и технологической оснастки накоплен большой опыт как в отечественной, так и в зарубежной машиностроительной промышленности. Созданы типовые конструкции высокопроизводительных приспособлений, обеспечивающие высокую точность и экономичность изготовления деталей. Однако при проектировании технологической оснастки, особенно нестандартной, конструктору часто приходится сталкиваться с серьезными трудностями. Это связано с тем, что детали приспособлений имеют сложную пространственную форму, что существенно затрудняет их расчеты на прочность, объемную и контактную жесткость и т.д. Проектируемая конструкция деталей технологической оснастки часто оказывается нерациональной: не обеспечивающей необходимых требований по прочности и жесткости либо излишне материалоемкой. Значительные затруднения вызывает иногда и расчет сложного сборного режущего инструмента. Упростить подобные расчеты, повысить производительность труда и качество работы конструктора, избежать значительного количества ошибок можно, применив при проектировании технологической оснастки и режущего инструмента современные методы инженерного анализа, в частности метод конечных элементов (МКЭ). Метод конечных элементов, разработанный на основе матричных методов расчета механических конструкций, является сегодня как одним из основных способов решения задач, описываемых уравнениями математической физики в частных производных (задачи теорий упругости и пластичности, теплопроводности, диффузии, распространения волн и т.д.). Идея МКЭ состоит в том, что любую непрерывную величину можно аппроксимировать дискретной моделью, которая строится на множестве кусочно-непрерывных функций, определенных на конечном числе областей. Кусочно-непрерывные функции определяются с помощью значений непрерывной величины в конечном числе точек рассматриваемой области. Аппроксимирующие функции могут быть как линейными (для конечных элементов первого порядка), так и нелинейными (для конечных элементов более высоких порядков). При расчете с помощью МКЭ тело разбивается на простые по форме части, называемые конечными элементами и имеющие ограниченное число степеней свободы. Конечные элементы соединены между собой в отдель-
134
ных точках - узлах, куда прикладываются фиктивные силы, эквивалентные поверхностным напряжениям, распределенным по границам элементов. Действующие на конструкцию внешние нагрузки приводятся к эквивалентным силам, прикладываемым в узлах конечных элементов. Ограничения на перемещение конструкции (закрепления) также переносятся на конечные элементы, которыми моделируется исходный объект. Поскольку каждый КЭ имеет заранее определенную форму и известны его геометрические характеристики и характеристики материала, для каждого КЭ, которыми моделируется конструкция, можно записать систему линейных алгебраических уравнений (СЛАУ), определяющих смещение узлов КЭ под действием приложенных в эти узлы сил. Записывая систему уравнений для каждого конечного элемента, аппроксимирующего исходную физическую систему, рассматриваем их совместно и получаем систему уравнений для полной конструкции. Порядок этой системы уравнений равен произведению количества подвижных узлов конструкции на число введённых степеней свободы в одном узле (как правило десятки или сотни тысяч алгебраических уравнений). Формируя систему уравнений для всей конструкции и решая её, получаем значения искомой физической величины (например, перемещений) в узлах конечно-элементной сетки, а также дополнительные физические величины, например, напряжения. Эти значения будут приближенными (с точки зрения теоретически возможного «точного» решения соответствующего дифференциального уравнения математической физики), но погрешность решения может быть очень небольшой – доли процента на тестовых задачах, имеющих «точное» аналитическое решение. Погрешность получаемого в результате конечно-элементной аппроксимации решения обычно гладко уменьшается с увеличением степени дискретизации моделируемой системы. Другими словами, чем большее количество КЭ участвует в дискретизации (или чем меньше относительные размеры КЭ), тем точнее получаемое решение. Более плотное КЭ разбиение в то же время требует более значительных вычислительных затрат. В настоящее время разработаны сотни специализированных программных комплексов, предназначенных для решения с помощью МКЭ самых разнообразных задач не только из области механики деформируемого твердого тела, но и из таких областей, как гидродинамика, акустика, электротехника и т.д. В развитии современных машиностроительных САПР заметна тенденция к встраиванию в CAD системы CAE модулей, основанных на МКЭ. На сегодняшний день подобные модули имеют все САПР высшего уровня (CATIA, Unigraphics, Pro/Engineer) и многие CAD системы среднего уровня (Autodesk Mechanical Desktop, Solid Works и др.). Подобная интеграция позволяет исследовать физические поля (напряже-
135
ний, деформаций, температуры и т.д.) в проектируемых изделиях без потерь точности при экспортировании чертежей и 3D моделей через промежуточные форматы. Из отечественных CAD-систем CAE модуль на сегодняшний день имеет только T-FLEX CAD 3D. В T-FLEX CAD 3D версий 9.0 и выше встроен бесплатный модуль «Экспресс-Анализ». Этот модуль является облегчённой версией CAE пакета «T-FLEX Анализ», специально адаптированной для проведения упрощенных, но качественных прочностных расчетов. В распоряжении пользователя имеется необходимый набор типов нагрузок и закреплений. Основываясь на геометрии модели T-FLEX CAD, автоматический генератор экспресс-анализа создаёт качественную конечноэлементную сетку. После выполнения расчета в графическом виде выводятся результаты по деформациям, напряжениям, перемещениям, запасу прочности. Таким образом, модуль экспресс-анализа позволяет проектировщику быстро определить расположение концентраторов напряжений, степень деформации, оценить элементы конструкции с избыточным материалом. Это позволяет серьезно повысить эффективность и качество проектирования. Поскольку анализ ведётся в параметрической системе, то от пользователя не потребуются дополнительные действия в случае её повторного анализа после внесения параметрических изменений в модель. Главной отличительной особенностью модуля является её глубокая интеграция с комплексом геометрических редакторов. Модуль конечноэлементного анализа интегрирован непосредственно в систему 3D моделирования T-FLEX CAD 3D. Пользователь T-FLEX CAD 3D создает в среде моделирования объемную модель. Непосредственно в интерфейсе T-FLEX CAD 3D присутствует специальное меню, используя команды которого, пользователь может осуществить конечно-элементное моделирование поведения изделия в различных постановках физических задач. Весь процесс осуществляется непосредственно в T-FLEX CAD 3D, в привычном для пользователя интерфейсе. Преимущества такого интегрированного решения для пользователя очевидны: - отсутствуют затраты времени на повторный ввод информации об изделии в систему конечно-элементного анализа (CAE) с помощью редактора CAE системы; - модель передаётся из T-FLEX CAD 3D в систему конечноэлементного анализа максимально точно, насколько это возможно, отсутствуют возможные погрешности экспорта-импорта моделей через универсальные обменные форматы или погрешности повторного ручного ввода.
136
- за счёт прямой программной интеграции сохраняется ассоциативная связь расчётной математической модели и электронной объемной модели изделия, т.е. пользователь может, например, изменить размеры анализируемого изделия, обновить конечно-элементную модель, и сразу же получить результаты расчёта измененной модели. При этом ему не понадобится повторно осуществлять ввод геометрии, экспорт-импорт, задание граничных условий и т.п. В модуле «Экспресс-Анализ» реализованы возможности статический конструкционного анализа, позволяющие осуществлять расчёт напряжённого состояния конструкций под действием приложенных к системе постоянных во времени сил. На сегодняшний день это, наиболее востребованная в проектировании задача. С помощью модуля «Экспресс-Анализ» пользователь может оценить прочность разработанной им конструкции по допускаемым напряжениям, определить наиболее слабые места конструкции и внести необходимые изменения (оптимизировать) изделие. При этом между трёхмерной моделью изделия и расчётной конечно-элементной моделью поддерживается ассоциативная связь. Параметрические изменения исходной твёрдотельной модели автоматически переносятся на сеточную конечно-элементную модель. Типичный порядок работы с модулем «Экспресс-Анализ» состоит из нескольких этапов (рис. 7.1). На первом этапе необходимо построение трёхмерной модели изделия в T-FLEX CAD 3D. 3D модель может быть также импортирована из других САПР через различные форматы обмена, например Iges или STEP. Это может быть "рабочая" модель, содержащая проекции и оформленные рабочие чертежи, участвующая в составе сборки, или модель, используемая для расчета траекторий ЧПУ обработки. Для выполнения прочностного расчета нет необходимости специально готовить специальную расчетную модель, а можно использовать непосредственно те электронные документы, с которыми работает конструктор в CAD системах. Назначение материала моделируемой детали также обычно производится при геометрическом 3D моделировании. На втором этапе определяется тип решаемой задачи. Специализированный CAE модуль «T-FLEX-Анализ» позволяет решать задачи типа: "Статический анализ", "Частотный анализ", "Устойчивость", "Тепловой анализ". Бесплатный модуль «Экспресс-Анализ» содержит только один тип решаемых задач: «Экспресс-расчет». На третьем этапе необходимо осуществить генерацию сеточной конечно-элементной модели изделия с помощью Препроцессора «ЭкспрессАнализ». Генерация сеточной модели предусматривает создание конечноэлементной сетки, отражающей геометрию изделия и наложения граничных условий, определяющих физическую задачу, подлежащую решению.
137
Рис. 7.1. Схема организации расчета по МКЭ в T-FLEX CAD. Модуль «Экспресс-Анализ» предназначен для решения прочностных задач в объёмной трехмерной постановке. Геометрию анализируемой детали в этом случае удобнее всего описывать тетраэдальными конечными элементами, поэтому Препроцессор «Экспресс-Анализ» ориентирован на автоматическое построение тетраэдальных конечно-элементных сеток. Тетраэдальная сетка позволяет достаточно точно аппроксимировать сколь угодно сложную произвольную геометрию изделия, и поэтому часто используется для объёмного МКЭ анализа. Препроцессор «Экспресс-Анализ» позволяет строить сетки из четырехузловых тетраэдров (рис. 7.2). Элементы этого типа обеспечивают линейную аппроксимацию искомой функции (например, перемещений или температуры) в пределах объёма КЭ. Для ориентировочных расчетов применение линейных элементов первого порядка обеспечивает достаточную точность.
138
Рис.7.2. Тетраэдальный линейный, четырёхузловой конечный элемент. Кроме построения конечно-элементной сетки, с помощью Препроцессора задаются граничные условия, необходимые для решения физической задачи. Для получения корректного и достоверного решения пользователю необходимо хорошо представлять физическую сторону анализируемого явления, чтобы задать граничные условия, соответствующие реальным условиям эксплуатации изделия. Результат решения задачи будет полностью определяться набором и параметрами граничных условий, определёнными пользователем. В случае неверного истолкования пользователем смысла задаваемой механической или тепловой нагрузки или ограничения, может быть получено решение, не отвечающее сути анализируемого физического явления. Отметим, что процесс назначения граничных условий не доступен полной автоматизации, поэтому ответственность за корректность приложенных к системе нагружений и ограничений с точки зрения физики решаемой задачи лежит на пользователе.В T-FLEX «Экспресс-Анализ» для этого предусмотрены специальные команды, позволяющие в интерактивном режиме задать внешние воздействия, прикладывая их непосредственно к элементам твердотельной модели. Препроцессор автоматически переносит граничные условия на конечно-элементную модель для выполнения расчёта. В статическом прочностном анализе роль граничных условий выполняют закрепления и приложенные к системе внешние нагрузки. Для задания закреплений в полнофункциональной версии «Экспресс-Анализ» предусмотрены две команды: "Полное закрепление", лишающая выбранный объект всех степеней свободы, и "Частичное закрепление", предоставляющая пользователю самостоятельно установить ограничения на различные степени свободы выбранного объекта. В учебной версии T-FLEX CAD доступно лишь задание полного закрепления. Для задания нагрузок в полнофункциональной версии «ЭкспрессАнализ» предусмотрен целый набор специализированных команд. Кратко рассмотрим их:
139
Нагрузка "Сила" – позволяет задать сосредоточенную или распределенную силу, приложенную к вершине, ребру или грани модели. • Нагрузка "Давление" – позволяет приложить к грани модели известное давление, распределенное по площади (равномерно распределенную нагрузку). • "Линейное ускорение" позволяет задать такие нагрузки, как сила тяжести или другое постоянное инерционное ускорение. • "Вращение" позволяет приложить к системе центробежные и касательные силы инерции, возникающие при равномерном или ускоренном вращательном движении модели. • "Цилиндрическая нагрузка" – специальный тип нагружения предназначен для передачи силовых взаимодействий между цилиндрическими гранями элементов конструкции, что часто встречается в практике машиностроительного проектирования. • Нагрузка "Крутящий момент" обеспечивает возможность приложения моментов к цилиндрическим поверхностям изделия. В учебной версии T-FLEX CAD доступно лишь задание нагрузок «Сила» и «Давление». Пятый этап моделирования выполняется модулем Процессора TFLEX «Экспресс-Анализ». В Процессоре осуществляется генерация расчётных систем уравнений и их решение. Результатами работы конечноэлементного Процессора являются значения искомых целевых функций, таких, как, на пример, перемещения и напряжения при статическом анализе. Для всестороннего анализа результатов работы Процессора на шестом этапе моделирования используется еще одна составная часть системы: Постпроцессор модуля конечно-элементных расчётов T-FLEX «ЭкспрессАнализ». Постпроцессор, также как и предыдущие модули, глубоко интегрирован в T-FLEX CAD 3D и позволяет пользователю после завершения расчётов осуществить всестороннее изучение полученных результатов. Постпроцессор T-FLEX «Экспресс-Анализ» обладает набором удобных пользовательских функций, таких как анимация, отображение деформированного состояния и др. Результаты расчета отражаются в дереве задач, что обеспечивает удобный и быстрый доступ к ним. Визуализация результатов осуществляется непосредственно в интерфейсе T-FLEX CAD. Одновременно могут быть открыты несколько результатов одной или разных задач. В учебной версии T-FLEX CAD постпроцессор «Экспресс-Анализ» дает только качественную картину распределения напряжений, перемещений и коэффициента запаса прочности. В полнофункциональной версии «Экспресс-Анализ» выводятся численные значения эквивалентных напря•
140
жений и деформаций, модуля перемещений и коэффициента запаса прочности. Чтобы облегчить анализ в Постпроцессоре «Экспресс-Анализ» есть различные средства: • Анимация – позволяет воспроизвести поведение исследуемой модели при плавно меняющейся нагрузке, с одновременным отображением полей напряжений или перемещений, соответствующих переменной нагрузке. • Управление отображением сеточной модели – пользователь может задать различные режимы визуализации результатов расчета (с сеткой или без сетки; с контурами исходной детали и тел, присутствующих в сборке, или без них; с отображением деформированного состояния и т.п.). Таким образом, используя модуль конечно-элементных расчётов TFLEX «Экспресс-Анализ», пользователь получает возможность осуществлять различные виды инженерных расчётов для сложных машиностроительных конструкций. Оценивая результаты моделирования, инженер, например, может скорректировать модель таким образом, чтобы обеспечить снижение ее материалоемкости за счет обеспечения равнопрочность конструкции. Достигается это путем удаления материала модели из наименее нагруженных участков и добавления его в наиболее нагруженные с последующей оценкой результатов модифицирования модели в модуле «Экспресс-Анализ». При наличии полнофункциональной версии T-FLEX CAD инженеринструментальщик может, например, определить численную величину деформаций (перемещений) элементов станочного приспособления или режущего инструмента под действием сил закрепления и резания и на основании результатов моделирования спроектировать конструкции инструмента и приспособления, обеспечивающие выполнение всех необходимых требований по точности обработки. Цель работы: Научиться разрабатывать рациональную конструкцию элементов технологической оснастки и режущего инструмента с помощью моделирования их напряженно-деформированного состояния методом конечных элементов в T-FLEX CAD 3D. Порядок выполнения лабораторной работы 1. Взять задание у преподавателя и построить 3D модель заданной детали. 2. Произвести моделирование напряженно-деформированного состояния заданной детали с помощью МКЭ.
141
3. На основе результатов моделирования оптимизировать конструкцию детали с целью снижения ее материалоемкости. 4. Построить параметрический чертеж разработанной детали. 5. Распечатать чертеж и отчитаться по лабораторной работе. Пример выполнения работы Рассмотрим в качестве простейшего примера проектирование кронштейна (рис. 7.3) специализированного приспособления, предназначенного для закрепления деталей при фрезеровании. Кронштейн представляет собой уголок, имеющий в основании отверстие для крепления с помощью болта к базовой плите, а в упоре отверстие для установки пальца, являющегося опорной базой обрабатываемой заготовки.
Рис. 7.3 Кронштейн. Создадим новую 3D модель и сохраним ее в каталог, указанный преподавателем, с именем вида 41ИС_Иванов_7_1.grs, где 41ИС – название группы, Иванов – фамилия студента, 7 – номер работы, 1 – номер варианта задания, grs– расширение, автоматически присваиваемое файлам в учебных версиях T-FLEX CAD. 3D модель кронштейна проще всего создать с помощью команд работы с листовым материалом. Вначале зададим параметры листового материала с помощью команды «SMP: Параметры по умолчанию для листовых операций»:
142
Клавиатура
Текстовое меню Пиктограмма “Операции|Листовой ме<S><M>
Рис. 7.4. Окно «Параметры листового металла». Первое, что необходимо создать – листовую заготовку, являющуюся основой для создания 3D модели кронштейна. В качестве листовой заготовки целесообразно выбрать основание кронштейна. Операция создания листовой заготовки представляет собой, по сути, создание выталкивания по нормали к плоскому контуру на заданную толщину. Применение специализированной операции вместо выталкивания или другой операции общего назначения позволяет упростить создание заготовки, сведя к минимуму задаваемые параметры и настройки. Команда позволяет создавать листовую заготовку двумя способами: по заданной форме заготовки или по заданной форме сечения заготовки. В обоих случаях исходным является плоский 3D профиль.
143
Активизируем рабочую плоскость «Вид сверху» и построим на ней проекцию основания кронштейна (рис. 7.5). Построив профиль, выйдем в 3D окно.
B
∅d1
L Рис. 7.5. Проекция основания кронштейна. Для создания основания кронштейна вызовем команду «SMC: Заготовка»: Клавиатура Текстовое меню Пиктограмма “Операции|Листовой ме<S><M>
Рис. 7.6. Задание параметров листовой заготовки.
144
Материал модели «Сталь» при создании операции был по умолчанию автоматически выбран из библиотеки материалов T-FLEX CAD 3D. При необходимости в окне параметров модели может быть выбран другой материал из имеющихся в библиотеке. В T-FLEX CAD имеется возможность также создавать при необходимости собственные модели материалов, указывая их физико-механические свойства. Упор кронштейна создадим с помощью операции «SMB: Гибка»: Клавиатура Текстовое меню Пиктограмма “Операции|Листовой ме<S><M> талл|Гибка” Укажем в качестве базовой линии гибки левое верхнее ребро основания кронштейна (рис. 7.7). В окне «Свойства» зададим режим создания гибки «Приклеить», обеспечивающий присоединение к базовой линии «язычка», отогнутого относительно нее на заданный угол. Угол отгибания оставим заданным по умолчанию (90°). Длину язычка зададим переменной H=25 мм. Отсчет длины язычка необходимо производить от нижней сторов автоменю. ны. Подтвердим создание гибки выбором пиктограммы
Рис. 7.7. Задание параметров гибки.
145
Модель отверстия в упоре кронштейна построим с помощью операции «Выталкивание». 3D профиль для выталкивания начертим на рабочей плоскости, созданной на внешней грани упора кронштейна (рис. 7.8). После вызова команды «3X: Создать выталкивание» укажем выталкиваемый профиль, в окне «Свойства» зададим в качестве параметра выталкивания «вытолкнуть через все» и выберем режим одновременного создания в автоменю. булевой операции «Вычитание» с помощью пиктограммы Поскольку в 3D сцене присутствует только одно тело «Гибка_1», оно автоматически будет выбрано в качестве первого операнда булевой операции «вычитание». В качестве второго операнда автоматически будет выбрана создаваемая операция «выталкивание». Подтвердим создание отверстия выбором пиктограммы в автоменю. Таким образом, мы одновременно создали 2 операции: выталкивание и булеву операцию «Вычитание». ∅d2
a
Рис. 7.8. Построение профиля отверстия на внешней грани упора. Для оценки рациональности конструкций кронштейна с точки зрения его материалоемкости нам потребуется информация о массе проектируемого изделия. Измерить массу 3D модели в T-FLEX CAD можно с помощью команды «РМ: Провести измерения». Вызвав команду, выберем в автоменю пиктограмму «Измерить пара, а затем укажем с помощью ЛКМ созданную метр одного элемента» нами 3D операцию «Булева__3». После этого необходимо указать в служебном окне «Свойства» измеряемый параметр элемента mass (масса) и создать переменную m, равную массе проектируемого изделия (рис. 7.9).
146
Масса кронштейна, изготовленного из стали, в данном случае равна 18,4 г. Создание новой переменной подтвердим с помощью выбора пиктограммы в автоменю. Для перехода к конечно-элементному анализу необходимо создать новую задачу инженерного анализа с помощью команды «3MN: Новая задача»: Клавиатура Текстовое меню Пиктограмма “Анализ⏐Новая задача⏐Конечно<3><M>
Рис. 7.9. Измерение массы 3D модели. После вызова команды в окне «Свойства» определим тип задачи: «Экспресс расчет» и укажем 3D тело, для которого производится анализ (рис. 7.10). Поскольку в 3D сцене присутствует только одно тело, оно будет выбрано автоматически. Подтвердим создание новой задачи выбором пиктограммы в автоменю. По умолчанию созданная задача получает имя «Задача_0».
147
Рис. 7.10. Создание новой задачи конечно-элементного анализа. Посмотреть наличие задач инженерного анализа в 3D модели можно в служебном окне «Задачи», находящемся по умолчанию в групповом окне на одноименной закладке. В служебном окне «Задачи» отображаются в виде иерархических деревьев все созданные в данном файле задачи инженерного анализа с указанием геометрии исследуемого тела, граничных условий и результатов решения задачи анализа. После того, как новая задача конечно-элементного анализа создана, необходимо разбить 3D модель на конечные элементы с помощью команды «3ММ: Построение сетки»: Клавиатура Текстовое меню Пиктограмма <3><M><M> “Анализ⏐Cетка ” Сетка создаётся на основе 3D операции, выбранной при создании текущей активной задачи. Для одной задачи может быть создана только одна сетка. От качества построенной при разбиении сетки конечных элементов будет зависеть точность расчетов. В модуле «Экспресс-анализ» пользователь имеет возможность только задавать ориентировочный размер конечных элементов (тетраэдров) с помощью ползуна в служебном окне «Свойства». Оставим вначале переключатель ползуна в положении по умолчанию и подтвердим создание сетки с заданными параметрами выбором пиктограммы в автоменю. На экране появится окно «Генерация сетки» со строкой выполнения. После завершения генерации в данном окне появится информация о результатах выполнения генерации сетки и ее параметрах. Закроем окно «Генерация сетки» нажатием графической кнопки [OK]. Сетка, состоящая из 412 конечных элементов создана (рис. 7.11).
148
Рис. 7.11. Генерация сетки конечных элементов с параметрами по умолчанию. Из рисунка 7.11 видно, что построенная с размером конечных элементов, выбранным по умолчанию, сетка является слишком грубой даже для оценочного расчета, поскольку не позволяет адекватно описать геометрию модели. Ее необходимо сделать более точной, уменьшив размеры конечных элементов. Вызовем вновь команду построения сетки конечных элементов и установим ползун переключателя точности создаваемой сетки в среднее положение (рис. 7.12). Подтвердим создание сетки с заданными параметрами выбором пиктограммы в автоменю. Откорректированная сетка, приведенная рисунке 7.12, содержит 713 конечных элементов. Она является вполне удовлетворительной и может быть использована для дальнейшего конечно-элементного анализа. Дальнейшее уменьшение размеров конечных элементов и, следовательно, увеличение их количества, нецелесообразно, поскольку приведет к существенному увеличению времени расчета при незначительном увеличении его точности.
Рис. 7.12. Генерация сетки с уменьшенным размером элементов.
149
Механические свойства материала исследуемой модели можно посмотреть в диалоговом окне «Материал задачи» (рис. 7.13) (Текстовое меню⏐Анализ⏐Материал). При необходимости в данном окне можно выбрать из библиотеки другой материал модели, отличный от заданного при геометрическом моделировании.
Рис. 7.13. Окно «Материал задачи». Следующим шагом конечно-элементного анализа является задание граничных условий. С известной степенью допущения можно принять, что кронштейн нагружен давлением, прикладываемым пальцем к стенкам отверстия в упоре параллельно основанию. Для создания нагружения - давления вызовем команду «3MS: Давление»: Клавиатура Текстовое меню Пиктограмма <3><M><S> “Анализ⏐Нагружение⏐Давление”
150
После вызова команды укажем грань, к которой прикладывается давление (рис. 7.14). В окне «Свойства» зададим величину давления и его направление. Поскольку численные значения напряжений и деформация в учебной версии T-FLEX CAD все равно получить невозможно, численное давления можно условно принять равным 1 H/м2. Подтвердим создание нового нагружения выбором пиктограммы в автоменю.
Рис. 7.14. Создание нагружения. В качестве ограничения степеней свободы кронштейна с известной степенью допущения укажем жесткую заделку по отверстию в основании, создаваемую крепежным болтом. Для этого вызовем команду создания ограничения «3МС: Полное закрепление»: Клавиатура Текстовое меню Пиктограмма “Анализ⏐Ограничение⏐Полное <3><M><С> закрепление” После вызова команды укажем грань, к которой прикладывается ограничение (рис. 7.15). Подтвердим создание нового ограничения выбором пиктограммы в автоменю.
151
Рис. 7.15. Создание ограничения. Все необходимые исходные данные для проведения конечноэлементного анализа заданы. Можно приступать к расчету. Запустим Процессор модуля «Экспресс анализ» (Текстовое меню⏐Анализ⏐Расчет). На экране откроется информационное окно «Расчет – экспресс расчет». После завершения расчета в данном окне появится диагностическая информация о результатах его выполнения (рис. 7.16.). Закроем окно «Расчет – экспресс расчет» нажатием графической кнопки [OK].
Рис. 7.16. Окно «Расчет-Экспресс расчет».
152
Просмотреть результаты расчета можно с помощью Постпроцессора модуля «Экспресс анализ». Постпроцессор открывает вместо окон 2D и 3D вида отдельное трехмерное окно «Результаты расчета» для отображения результатов конечно-элементного анализа. Выход из Постпроцессора и закрытие окна «Результаты расчета» производится с помощью стандартной пиктограммы закрытия окон в Windows – пиктограммы с изображением крестика. Вместо окна «Результаты расчета» при этом вновь открываются окна 2D и 3D вида текущего чертежа T-FLEX CAD. Модель в окне «Результаты расчета» может быть показана в деформированном состоянии, при этом пунктирными линиями можно отобразить исходные контуры модели. Также в окне «Результаты расчета» могут отображаться нагрузки и закрепления. Результаты решения, как правило, представлены в виде цветных эпюр распределения в модели рассматриваемой при анализе переменной. Каждому цвету соответствует определенное численное значение. Для вызова Постпроцессора откроем в групповом служебном окне закладку «Задачи». В иерархическом дереве решенной задачи выберем с помощью двойного нажатия ЛКМ для просмотра поочередно результаты конечно-элементного анализа: эпюры распределения в модели модуля перемещений и эквивалентных напряжений (рис. 7.17). Из рисунка 7.17 видно, что наибольшие по модулю перемещения будет иметь верхняя грань упора кронштейна, а максимальные эквивалентные напряжения возникнут в месте сгиба кронштейна. В полнофункциональной версии «Экспресс-анализ» мы смогли бы также увидеть численные значения перемещений и напряжений, позволяющие, изменяя размеры кронштейна, добиться требуемой прочности и жесткости детали. Аналогично просмотрим эпюру распределения коэффициента запаса по эквивалентным напряжениям (рис. 7.18). При этом, после выбора коэффициента запаса по эквивалентным напряжениям в служебном окне «Задачи», укажем в окне «Параметры эпюры – коэффициент запаса», что запас прочности должен определяться по пределу текучести материала детали. Из результатов анализа можно сделать вывод о том, что кронштейн нагружен весьма неравномерно вследствие нерациональной геометрии детали. Добавление дополнительного материала в месте наибольшего нагружения с последующим уменьшением общей толщины листа в рассматриваемом случае не целесообразно, так как приведет к неоправданному усложнению конструкции кронштейна.
153
а
б Рис. 7.17. Эпюры модуля перемещений (а) и эквивалентных напряжений (б).
154
Рис. 7.18. Эпюра коэффициента запаса прочности по эквивалентным напряжениям. Усовершенствуем конструкцию кронштейна, убрав лишний металл из наименее нагруженных областей. Из рисунков 7.17,в и 7.18 видно, что наименее нагруженными являются углы упора и основания кронштейна. Удалить лишний материал у модели в рассматриваемом случае можно, скруглив упор и основание кронштейна с помощью 3D операции «Сглаживание трех граней». Операция сглаживания трёх граней позволяет строить поверхность перехода от одного набора гладко сопряженных граней к другому набору. При этом поверхность сглаживания будет построена по касательной к третьему набору граней. Выйдем из постпроцессора конечно-элементного анализа и вызовем команду «3DT: Сглаживание трех граней»: Клавиатура Текстовое меню Пиктограмма <3>
155
Рис. 7.19. Выбор трех граней для создания сглаживания. Поскольку мы добавили к 3D телу новые операции, необходимо переопределить переменную m, равную массе кронштейна. Для этого в окне редактора переменных заменим в выражении для данной переменной имя операции «Булева_3» на имя последней созданной нами 3D операции: «Сглаживание_трёх_граней_5» (рис. 7.20). Масса кронштейна после модернизации конструкции равна 16,4 г.
Рис. 7.20. Список переменных 3D модели кронштейна. Удалив лишний материал у модели, вновь произведем ее прочностной анализ. Поскольку геометрия модели изменилась, необходимо заново переразбить ее на конечные элементы. Количество конечных элементов при разбиении: 704. Граничные условия можно не переопределять, поскольку поверхности, к которым они приложены, не модифицировались. После переразбиения модели вновь запустим расчет. Результаты анализа для модифицированной модели кронштейна приведены на рисунке 7.21. Из приведенных эпюр видно, что модифицированный кронштейн нагружен более равномерно, чем первоначальной конструкции. Несмотря на уменьшение объема и массы кронштейна минимальный коэффициент запаса прочности практически не изменился. Таким образом, произведен-
156
ное усовершенствование конструкции детали «Кронштейн» позволило снизить ее материалоемкость на 12% без снижения прочностных и эксплуатационных характеристик.
а
б Рис. 7.21. Эпюры коэффициента запаса прочности (а) и эквивалентных напряжений (б).
157
По модифицированной 3D модели детали «Кронштейн» строим 2D чертеж и оформляем его в соответствии с требованиями ЕСКД (рис. 7.22).
Рис. 7.22. Чертеж детали «Кронштейн». Проектирование детали «Кронштейн» фрезерного приспособления завершено.
158
Учебное издание КИРИЧЕК Андрей Викторович АФОНИН Андрей Николаевич ПРОЕКТИРОВАНИЕ МЕТАЛЛООБРАБАТЫВАЮЩИХ ИНСТРУМЕНТОВ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОЙ ОСНАСТКИ В T-FLEX CAD Лицензия ЛР № 080003 от 12.09.1996 г. Компьютерная верстка А.Н. Афонин Подписано в печать 08.11.2007. Формат 60х88 1/16. Бумага офсетная. Гарнитура Times New Roman. Печать электрографическая. Усл. печ. л. 9,88 Уч. изд. л. 12,75 Тираж 100 Заказ № Издательство «Машиностроение-1», 107076, г. Москва, Стромынский пер., 4 Отпечатано с готового оригинал-макета в ООО рекламно-полиграфическая компания «Континент» 302028, г. Орел, ул. Салтыкова-Щедрина, 34
