Материал: САПР технологического оборудования. курс лекций. Новокщенов С.Л., Бойко А.Ю

С.Л. Новокщенов А.Ю. Бойко А.М. Гольцев С.И. Антонов

САПР ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО

ОБОРУДОВАНИЯ:

Курс лекций

Учебное пособие

Воронеж 2007

ГОУВПО «Воронежский государственный

технический университет»

С.Л. Новокщенов А.Ю. Бойко А.М. Гольцев С.И. Антонов

САПР ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО

ОБОРУДОВАНИЯ:

Курс лекций

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

Воронеж 2007

УДК 621.7/9+681.3

САПР технологического оборудования: курс лекций: учеб. пособие/ С.Л. Новокщенов, А.Ю. Бойко, А.М. Гольцев, С.И. Антонов. Воронеж: ГОУВПО “Воронежский государственный технический университет”, 2007, 239 с.

Учебное пособие соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 150200 «Машиностроительные технологии и оборудование», специальности 150201 «Машины и технология обработки металлов давлением», по дисциплине «САПР технологического оборудования» очной формы обучения.

Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе Microsoft Word и содержится в файле “САПР ТО.doc”

Табл. 11., Ил. 44 Библиогр.: 38 назв.

Научный редактор профессор В.М. Пачевский

Рецензенты: кафедра «Теоретической и прикладной механики» Российского Государственного Открытого Технического Университета Путей Сообщения;

д-р техн. наук, проф. А.Н. Осинцев.

© Новокщенов С.Л., Бойко А.Ю.,

Гольцев А.М.,

Антонов С.И., 2007

© Оформление. ГОУВПО

«Воронежский государственный

технический университет», 2007

Оглавление

ОГЛАВЛЕНИЕ 3

ВВЕДЕНИЕ 8

Часть 1 9

ОСНОВЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕХАНИЗМОВ И МАШИН КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА 9

Лекция №1 9

Вопросы и задачи автоматизированного проектирования кузнечно-штамповочного оборудования 9

Лекция №2 26

Задачи и модели конструкторского проектирования кузнечно-штамповочного оборудования 26

Лекция №3 38

Структура программ инженерных расчетов 38

Лекция №4 47

Вычислительные операции при решении прикладных инженерных задач 47

Лекция №5 55

Типы вычислительных процессов 55

Лекция №6 61

Этапы создания программ. Реализация численных методов в САПР 61

Часть 2 82

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИСПОЛНИТЕЛЬНЫХ МЕХАНИЗМОВ И МАШИН КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА 82

Лекция №7 82

Автоматизированный синтез исполнительных механизмов кузнечно-штамповочных машин 82

Лекция №8 106

Автоматизированный анализ кинетостатических характеристики исполнительных механизмов кузнечно-штамповочных машин 106

Лекция №9 124

Математические модели зубчатых приводов кузнечно-штамповочных машин 124

Лекция №10 139

Автоматизированные расчеты деталей и узлов кузнечно-штамповочных машин 139

Часть 3 153

АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ БАЗОВЫХ ДЕТАЛЕЙ МЕХАНИЗМОВ И МАШИН КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА 153

Лекция №11 153

Машинные испытания в процессе проектирования и исследования кузнечно-штамповочных машин 153

Лекция №12 169

Архитектура и математическое обеспечение САПР машинных испытаний и исследования кузнечно-штамповочных машин 169

Лекция №13 177

Математическое моделирование физических процессов на основе МКЭ 177

Лекция №14 187

Проектирование базовых деталей кузнечно-штамповочного оборудования с учетом прочности на основе метода конечных элементов 187

Лекция №15 205

Нелинейная механика контактных систем 205

Лекция №16 213

Приложения метода конечных элементов 213

Лекция №17 220

Динамика кузнечно-штамповочного оборудования 220

Введение

Повышение качества выпускаемой продукции во многом зависит от конструкторов, создающих новое оборудование. Приступая к машинному решению задачи, инженер-исследователь может использовать аналитические, вычислительно-алгоритмические, программные и технические средства.

Аналитические средства дает соответствующая область теории с ее качественными и количественными методами. Вычислительно-алгоритмические средства дает вычислительная математика – наука о доведении основных математических задач до числовых ответов. Техническое обеспечение включают саму ЭВМ и дополнительное программное обеспечение.

Конечное качество проектируемой машины закладывается и определяется на следующих этапах проектирования: выбор кинематической схемы механизма на основе сопоставления и анализе различных вариантов; проведение кинематического, силового и динамического расчетов; выбор параметров автоматизированного электропривода, осуществляемый на основе анализа, построения графиков передаточных функций и приведенного момента в зависимости от изменения обобщенной координаты ведущего звена механизма.

Решение многих задач анализа и синтеза кривошипно-рычажных механизмов связано с большим объемом вычислительных операций. Поэтому автоматизация проектирования является одной из важнейших задач и фактором, во многом определяющим технический уровень качество и эффективность новой техники. Основой для разработки систем расчета и проектирования агрегатов по дополнительным критериям оптимальности являются программы кинематического расчета механизмов.

ЧАСТЬ 1

ОСНОВЫ АВТОМАТИЗИРОВАННОГО ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕХАНИЗМОВ И МАШИН КУЗНЕЧНО-ШТАМПОВОЧНОГО ПРОИЗВОДСТВА

Лекция №1

Вопросы и задачи автоматизированного проектирования кузнечно-штамповочного оборудования

Теоретические вопросы:

1.1. Процесс проектирования кузнечно-штамповочного оборудования как объект автоматизации

1.2. Современные методики и состояние проектных расчетов кузнечно-прессовых машин

1.3. САПР механических прессов

1.1. Процесс проектирования кузнечно-штамповочного оборудования как объект автоматизации

Процесс проектирования кузнечно-штамповочного оборудования заключается в разработке конструкторской документации, необходимой для изготовления кузнечно-штамповочного оборудования. Современные системы автоматизированного проектирования предоставляют широкие возможности конструкторам и способны выявлять все особенности функционирования проектируемого изделия и в значительной степени позволяют упрощать технологию изготовления и процесс проектирования. К настоящему времени сформировались все необходимые предпосылки создания системы автоматизированного проектирования кузнечно-штамповочного оборудования. Уже известны и широко применяются решения для восьми уровней автоматизации процесса проектирования:

1) автоматизированный расчет;

2) машинное моделирование;

3) машинные испытания;

4) автоматизированное оптимальное проектирование;

5) машинная графика;

6) автоматизированное конструирование;

7) автоматизированное проектирование;

8) автоматическое проектирование.

Для того, чтобы ЭВМ могла самостоятельно принимать решения, необходимо иметь необходимый набор эвристических программ, перечень которых дан в таблице 1.

Таблица 1

Окончание таблицы 1

Окончательное формирование составляющих математической модели происходит при ее реализации на ЭВМ, т.е. при построении машинной модели.

Этапы приведения математической модели к машинному виду показаны на рис. 2. Согласно ему сначала выбирается метод решения уравнений математической модели (этап 1), затем анализируется математическое обеспечение ЭВМ, т.е. пригодность прикладных программ для решения данной математической модели подобранными методами (этап II). Если имеющееся математическое обеспечение полностью не обеспечивает решение уравнений модели, то выбираются соответствующие методы ее решения.

Далее (этап III) математическая модель приводится к виду, удобному для решения на ЭВМ выбранными методами с учетом прикладных подпрограмм ЭВМ, если такие были подобраны. На этом этапе может выполняться аппроксимация функций и приведение уравнений математической модели к стандартному виду. На этапе IV составляется схема алгоритма решения, затем выбирается язык программирования (этап V), составляется программа (VI), вводится и отлаживается программа (VII).

Порядок работы с рассматриваемыми программными средствами заключается в следующем. Конструктор с помощью стандартных процедур вызова операционной системы, в которой он работает, открывает необходимую программу и вводит исходные данные, к которым в основном относятся значения некоторых параметров x1, значения показателя качества P0 и ограничений y0. Остальные сведения должны иметься в банке данных, представленном в виде таблиц и значений аналитический функций.

Далее вычисляются остальные проектные параметры, текущие значения показателей качества и ограничений. Если условия ограничений и заданные показатели качества выполняются, расчет заканчивается, в противном случае конструктор должен задать новые исходные данные. Необходимо так же иметь ввиду, что часто в роли ограничений используются значения показателей качества.

Рис. 2. Схема процесса автоматизированного расчета

Общесистемными составляющими функции качества являются критерии точности, устойчивости и эффективности. При расчете деталей кузнечно-штамповочных машин показатели точности, устойчивости и эффективности. При расчете деталей машин показатели точности и устойчивости в основном характеризуют их геометрию, т.е. сохранения формы под действием различных нагрузок (силовых, тепловых, изнашивающих). Эффективность выполнения деталями своих функций в станке обеспечивается их долговечностью.

В свою очередь эта характеристика определяется статической и усталостной прочностью детали.

В основном при расчете станочных деталей ограничения строятся на базе обеспечения заданной прочности и устойчивости, а показатели качества – на базе параметров, определяющих точность кузнечно-штамповочных машин.

1.2. Современные методики и состояние проектных расчетов кузнечно-прессовых машин

Все основные алгоритмы, используемые при автоматизированном проектировании кузнечно-штамповочного оборудования на этапе составления предварительного чертежа, основываются на традиционных методиках проектных расчетов, которые в настоящее время выполняются в следующей последовательности.

1. Определяется технологический процесс и параметры технологического процесса штамповки деталей заказчика или принимается технологический процесс штамповки типовой расчетной поковки.

1.1. Строятся графики сил деформирования в функции перемещения ползуна Р_д(S), которые определяют нагружения пресса на ходе деформирования. Для типовой расчетной поковки штампуемой на прессах номинальной силой до 80 МН включительно графики строятся по параметрам приведенным в работе, а для расчетной поковки графики строятся по параметрам, полученным экстраполяцией.

1.2. Работа деформирования, совершаемая прессом, определяется интегрированием зависимости Р_д(S) на ходе деформирования.

1.3. Определяются скоростные характеристики технологического процесса: задаются скорость рабочего инструмента на ходе деформирования V_д и время деформирования t_д с учетом рекомендуемых при штамповке на кривошипных прессах значениях скорости инструмента в диапазоне 0,1…0,5 м/c /214/ и времени силового контакта инструмента с поковкой в диапазоне 0,03…0,08 с.

2. Строятся машинный и технологический циклы работы пресса.

2.1. При построении этапов машинного цикла пресса учитываются скорость рабочего инструмента на ходе деформирования V_д и производительность пресса, определяемая частотой непрерывных ходов и наибольшей частотой одиночных включений пресса. Производительность пресса определяется заказчиком и реализуется наибольшей частотой одиночных включений пресса, которая также может быть выбрана из разработанного размерного ряда тяжелых кузнечно-прессовых машин.

Скоростные режимы работы пресса на этапах отличных от хода деформирования определяются из условия производительности пресса или регламентируемого заказчиком в заявке и из условия динамических нагрузок, возникающих при работе пресса.

2.2. При построении этапов технологического цикла пресса учитываются затраты времени на вспомогательные операции технологического процесса: загрузка заготовки и выгрузка отштампованной поковки, очистка штампа от окалины, смазка штампа и тому подобные операции. При определении времени технологической паузы учитывается степень автоматизации пресса.

3. Конструктивная схема пресса определяется с учетом выработанных в разделах 1 и 2 рекомендаций.

4. Определение конструктивных параметров пресса в части размеров его штампового пространства

При определении штампового пространства исходят из принятого технологического процесса, размеров заготовки и штампуемой детали, а также учитывают как технологическую оснастку (блок штампов со сменными вставками, элементы нагрева и охлаждения матриц и штампа, систему сдува окалины и смазки штампа), так и средства автоматизации загрузки заготовки, перекладки поковки по позициям штампа и выгрузки заготовки.

5. Кинематический и статический расчеты кривошипно-ползунного механизма осуществляются аналитическими методами в предположении отсутствия зазоров в кинематических парах, абсолютной жесткости звеньев и заданной постоянной частоты вращения кривошипа. Целью проведения многовариантного расчета проводимого в соответствие с разработанными алгоритмом и программой на ПЭВМ является определение основных размеров механизма (радиус кривошипа, длина шатуна, диаметры опорных подшипников эксцентрикового вала и подшипников головок шатуна), кинематических характеристик перемещения ползуна и зависимости крутящего момента на кривошипе в функции угла поворота кривошипа. Также определяется допустимое усилие на ползуне в функции перемещения ползуна с учетом упругой деформации пресса.

6. Расчет главного электропривода состоит в определении мощности электродвигателя и момента инерции маховика необходимых для выполнения работы деформирования при заданной производительности и максимальном значении КПД пресса и при ограничениях по допустимому нагреву электродвигателя и динамической устойчивости электропривода.

7. Целью расчета клиноременной передачи является определение необходимого числа ремней, обеспечивающих работоспособность передачи в течение заданного срока эксплуатации. При расчете проверяются условия соответствия допустимым значениям окружной скорости ремня и угла охвата ремнем ведущего шкива.

8. Фрикционный предохранитель маховика рассчитывается по запасу сцепления не допускающему перегрузки зубчатой передачи привода и проскальзывание дисков муфты. Определяются количество и параметры пакетов тарельчатых пружин, величина предварительной осадки пружин, параметры фрикционных элементов.

9. Целью расчета на долговечность приводного вала является определение геометрических параметров опасного сечения вала, испытывающего напряжения изгиба и кручения.

10. Целью расчета подшипника качения является определение его типоразмера, обеспечивающего требуемую долговечность при заданных осевой и радиальной нагрузках.

Для подшипников приводного вала моделированием по МКЭ производится определение усилия предварительной затяжки крепления крышки опоры корпуса подшипника по условиям: не раскрытия стыка по разъему опор под действием радиальных сил, создания гарантированного натяга между крышкой и корпусом, обеспечения при деформации корпуса заданного зазора между корпусом и подшипником.

11. Расчет геометрии зубчатых передач привода с целью проверки отсутствия подрезания и интерференции зубьев, достаточности коэффициентов торцевого перекрытия и ширины вершины зуба выполняются при назначенных числах зубьев, модуля, углов наклона, коэффициентов смещения. Расчет долговечности зубчатых передач с целью определения ее ресурса работы до первого капитального ремонта выполняется по условиям контактной выносливости и выносливости при изгибе зубьев шестерни и колеса.