litceysel.ru
добавить свой файл
1
УДК 621.99; 004.9



САВВИН В.В., КИРИЧЕК А.В., АФОНИН А.Н.


3D моделирование ЗАТЫЛОВАННОГО РЕЗЬБОНАКАТНОГО ИНСТРУМЕНТА
в системе T-FLEX CAD



SAVVIN V.V., KIRICHEK A.V., AFONIN A.N.


3D MODELling of the undercut Thread Rolling tools in T-FLEX CAD

system


Авторами статьи разработана методика проектирования затылованного резьбонакатного инструмента в системе твердотельного моделирования T-FLEX CAD, которая обеспечит возможность моделирования процесса резьбообразования, в частности моделирования технологического процесса методом конечных элементов (МКЭ) DEFORM.


The authors developed a technique for designing undercut thread rolling tool in a system of solid modeling T-FLEX CAD, which will enable simulation of thread farming, in particular the modeling process by finite element method (FEM) DEFORM.

Резьбообразующий инструмент относится к одним из наиболее сложных по конструкции видов металлообрабатывающего инструмента. В особенности это можно отнести к затылованным резьбонакатным инструментам, в частности затылованным роликам и бесстружечным метчикам [1, 2]. В современном компьютерно - интегрированном производстве при проектировании подобных сложных изделий их геометрию необходимо представлять в виде цифровой трехмерной модели. Создание 3D моделей затылованных резьбонакатных инструментов представляет собой сложную задачу. Рассмотрим методику 3D моделирование затылованного резьбонакатного инструмента на примере построения модели бесстружечного метчика. Бесстружечные метчики применяются для накатывания (выдавливания) внутренних резьб небольшого диаметра (до 30 мм). Бесстружечный метчик [1, 2] состоит из рабочей части, разделяемой на заборную часть, служащую для выдавливания резьбы, и калибрующую, предназначенную для направления инструмента и калибрования выдавленного профиля; и хвостовика, с помощью которого метчик закрепляется на станке. В поперечном сечении рабочая часть бесстружечного метчика обычно имеет форму многогранника со скругленными гранями. Образующая заборной части может выполняться как прямолинейной, так и спрофилированной по некоторым кривым (параболе, эллипсу, логарифмической кривой и т.д. [2]).


Построение 3D модели бесстружечного метчика на сегодняшний день возможно только в CAD системах среднего и высшего уровней. К подобным системам относится наиболее мощная отечественная CAD система T-FLEX, разработанная АО «Топ Системы». T-FLEX CAD - полнофункциональная система автоматизированного проектирования, обладающая всеми современными средствами разработки проектов любой сложности, включая твердотельное и поверхностное моделирование. Возможности параметризации в T-FLEX очень широки, что обеспечивает максимальную эффективность при проектировании моделей с различными исполнениями и набором типоразмеров. Моделирование резьбонакатного инструмента производилось в лицензионной версии T-FLEX CAD 11, предоставленной Технологическому институту им. Н.Н.Поликарпова ФГОУ ВПО «Госуниверситет-УНПК» АО «Топ Системы» в рамках программы поддержки учебных заведений.

Рассмотрим методику построения параметрической 3D модели рабочей части бесстружечного метчика. Модель должна состоять из двух тел: параметрической спирали витков резьбы и сердцевины метчика, объединенных в единое тело. Дерево построения модели рабочей части представлено на рисунке 1.



Рисунок 1 - Дерево построения модели рабочей части бесстружечного метчика.

Модель сложной по форме рабочей части метчика в T-FLEX может быть построена с помощью операции «Тело по параметрам» [4]. Тело по параметрам строится как лофтинг (операция построения поверхности по нескольким плоским сечениям), только сечения в нем создаются путем параметрического изменения исходного профиля. Необходимо задать каждое последовательное положение профиля и его форму в этом положении. Создадим в редакторе переменную n, которая будет счетчиком последовательных положений. Активизируем одну из стандартных рабочих плоскостей, например «Вид сверху». Относительно центра координат изобразим на ней форму поперечного сечения рабочей части метчика. Моделируемый метчик имеет четыре грани, поэтому профиль его поперечного сечения очерчивается с помощью сопряженных четырех малых и четырех больших дуг. Контур обведем замкнутым 2D путем. Управляющая форма готова. Размер ее не важен. Однако удобнее, чтобы он был равен наружному диаметру метчика "d". Для удобства последующих построений погасим все линии, кроме 2D пути задающего форму поперечного сечения рабочей части (рис. 2,а).


Чтобы задать винтовую линию резьбы нужно задать вращение и осевое перемещение профиля поперечного сечения витка. Профиль поперечного сечения витка резьбы строится на плоскости, которая вращается в соответствии с заданными условиями. Чтобы задать положение плоскости профиля, из центра управляющей формы проведем линию привязки под углом "аlfa" к горизонтали. Линия пересекает управляющую форму в двух точках. Возникает неопределенность положения плоскости. Поэтому сначала построим на данной линии узел на расстоянии от центра управляющей формы

, (1)

где zs - заступ профиля (принимается ориентировочно равным радиусу окружности, вписанной в поперечное сечение).

Затем построим 2D путь из центра до данного узла, последовательно указав точки пересечения. Линию привязки погасим. Построим узел на пересечении двух 2D путей. По узлам в центре формы и на пересечении путей построим два 3D узла. Правило вращения и базовая точка положения профиля определены. Завершим построения на виде сверху. В принципе положение плоскости профиля уже определено, однако для надежности построим третий 3D узел от центрального узла с превышением по вертикальной оси примерно на длину рабочей части метчика.




а б

Рисунок 2 - Профиль сечения рабочей части бесстружечного метчика.

а – поперечного; б - продольного

Построим рабочую плоскость по трем узлам: первый в центре координат, второй - полученный от пересечения 2D путей, третий - на оси Z с координатой, равной длине рабочей части метчика. Активизируем построенную рабочую плоскость. Проведем на ней базовые (перекрестные) линии в центре координат. Спроецируем на данную плоскость 3D узел, построенный на пересечении путей. Проведем через полученный 2D узел вертикаль. Это базовая линия рабочей части метчика. От нее необходимо построить линию наружного контура продольного сечения рабочей части метчика. Она будет состоять из линий, соответствующих контурам калибрующей и заборной части. В зависимости от конструкции метчика, как было указано выше, контур заборной части может быть прямолинейным или криволинейным. Линия наружного контура рабочей части должна быть построена как непрерывный 2D путь (рис. 2,б). Затем строим линию внутреннего диаметра метчика, которая задается прямой на расстоянии шага P от базовой вертикали. Линии внутреннего и наружного диаметра не должны пересекаться на длине рабочей части метчика. После этого нужно погасить все опорные линии построения, оставив только два 2D пути, соответствующих контуру продольного сечения по наружному и внутреннему диаметрам резьбы метчика.


Приступим к заданию осевого движения профиля. Проведем от горизонтальной оси на созданной рабочей плоскости прямую на расстоянии L. Для удобства построений, пока не связываем ее выражением. Эта прямая определяет центр профиля резьбы. От данного центра зададим профиль витка резьбы метчика, соответствующий профилю впадины накатываемой резьбы. Для трапецеидальной резьбы из точки пересечения линии центра профиля витка резьбы проводим две прямые под необходимыми углами. Зальем профиль штриховкой, ограниченной двумя наклонными линиями и линией внутреннего диаметра резьбы. В режиме динамического просмотра переместим линию центра профиля витка резьбы вдоль всей рабочей части и убедимся что вырождения профиля витка резьбы (штриховки) не происходит. Построим 3D профиль по штриховке. Придадим переменной L значение

(2)

Теперь при изменении угла вращения рабочей плоскости прямая центра профиля витка резьбы будет его поднимать по винтовой линии с шагом P.

Количество промежуточных построений профиля витка резьбы k будет зависеть от необходимой точности построений. В приведенном примере k = 5, т.е. промежуточные профили будут строиться через 5° поворота рабочей плоскости. Погрешность построений при этом составит порядка 0,01 мм. Тогда:

, (3)

а всего необходимо построить Nmax профилей, где

. (4)

После проделанных шагов остается неопределенность вращения профиля витка резьбы относительно центра вращения с возможностью появления закручивания данного профиля. Чтобы преодолеть неопределенность построим вначале параметрическую спираль, а затем 3D путь, совпадающий с осью спирали и определяющий мгновенное положение профиля витка резьбы. Так же надо создать локальную систему координат (ЛСК), связанную с профилем. Оси ЛСК должны быть ориентированы относительно контура таким образом, чтобы однозначно определять положение профиля резьбы. Эту систему координат надо указать в качестве исходной, а дополнительный путь в качестве кривой, задающей направление оси Х (положение профиля витка резьбы). Направление осей выбрать "По минимальному расстоянию". Можно приступать к построению тела по параметрам (рис. 3).



   

а б

Рисунок 3 - Построение модели резьбы бесстружечного метчика

а – ориентация осей ЛСК, связанной с профилем резьбы; б – модель резьбы метчика


Для построения сердцевины метчика также используем функцию "Тело по параметрам". Для этого очертим профиль будущей сердцевины в плоскости построения профиля витка резьбы. Используем параметры, заданные для построения профиля резьбы. Это обеспечит соответствие внутренней поверхности витка резьбы и внешней поверхности сердцевины, позволит упростить модель и избежать ошибок графического процессора.

С помощью булевой операции "Сложение" [4] объединим сердцевину и резьбу в единую модель рабочей части бесстружечного метчика. Затем у данной модели зададим необходимые фаски и скругления. При необходимости к рабочей части добавляется хвостовик инструмента (рис. 4). Для этого создана библиотека 3D моделей стандартных хвостовиков в соответствии с ГОСТ. Полученная модель является полностью параметрической, т.е. позволяет варьировать все размеры метчика только путем изменения значений переменных в редакторе, без редактирования геометрических построений. Фрагмент таблицы переменных, использованных при построении 3D модели бесстружечного метчика, приведен на рисунке 5.



Рисунок 4 – 3D модель бесстружечного метчика для накатывания внутренней резьбы Тр 20




Рисунок 5 – Переменные, используемые при построении параметрической 3D модели
бесстружечного метчика

Описанная методика моделирования применима и к проектированию затылованных роликов, используемых для накатывания наружных резьб. В этом случае модель будет более простой, так как 2D путь, описывающий контур ролика в продольном сечении, будет представлять собой прямую.


Построенная параметрическая 3D модель инструмента может быть использована для написания программы его обработки на станке с ЧПУ с помощью CAM модуля T-FLEX ЧПУ. 3D модель также может быть экспортирована в автоматизированную систему моделирования технологических процессов, например DEFORM, для исследования технологического процесса резьбонакатывания и определения рациональной конструкции резьбонакатного инструмента [3].


литература


  1. Меньшаков В.М., Урлапов Г.П., Середа В.С. Бесстружечные метчики. М.: Машиностроение. 1976.- 167 с.

  2. Киричек А.В., Афонин А.Н. Резьбонакатывание. Библиотека технолога. - М.: Машиностроение, 2009. – 312 с.

  3. Саввин В.В., Киричек А.В., Афонин А.Н. Методика моделирования накатывания внутренних резьб бесстружечными метчиками // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии, 2010, № 2/2-280. - С. 79-80.

  4. T-FLEX CAD. Трехмерное моделирование. Руководство пользователя. М.: АО «Топ Системы», 2008. – 799 с.


Ключевые слова

Накатывание резьбы, затылованный инструмент; бесстружечный метчик; параметрическая 3D модель


Rolling thread, undercut tool, chipless tap, parametric 3D model


Саввин Вячеслав Викторович

ФГОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК» Технологический институт им. Н.Н. Поликарпова, г.Орел

Аспирант

Тел. (4862) 541503

E-mail: savvin@email.ru


Киричек Андрей Викторович

ФГОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК» Технологический институт им. Н.Н. Поликарпова, г.Орел

д.т.н., профессор кафедры ТМиКТИ

Тел. (4862) 555524

E-mail: avk@ostu.ru


Афонин Андрей Николаевич

ФГОУ ВПО «Госуниверситет – УНПК» Технологический институт им. Н.Н. Поликарпова, г.Орел

к.т.н., доцент кафедры ТМиКТИ

Тел. (4862) 541503

E-mail: af@au.ru