Formulating CAD/CAM Modules

МИНОБРНАУКИ России

Федеральное государственное  бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Волгоградский государственный  технический университет

Кафедра: Иностранные языки

 

 

 

 

 

Семестровая работа

по дисциплине: “Деловой иностранный язык”

На тему: “Formulating CAD/CAM Modules for Calculating the Cutting 
Conditions in Machining”

 

 

 

Выполнил: студент группы СИ-5

     Травов А.Б.

Проверил: Лазарева О.В.

 

 

 

 

 

Волгоград 2012

Formulating CAD/CAM Modules for Calculating the Cutting Conditions in Machining

 

In manufacturing, CAM (computer-aided manufacturing) systems are generally used on numerically controlled machine tools and other automated equipment. Such systems permit the design of technological processes, the preparation of control 
software for numerically controlled equipment, and the resolution of other technological aspects of machining. Typical CAD/CAM systems include ADEM (Omega Adem Technologies Ltd); T-FLEX/TechnoPro (Top Systems); and KOMPAS/Vertical (ASKON).

Each of these CAD/CAM systems includes modules for automated calculation of the cutting conditions and modules for the preparation of control programs used in

numerically controlled machine tools. The calculation of the cutting conditions is based on methods outlined in handbooks and standards, which do not fully take account

of the machining conditions for each contact pair (cutter–part) and the contact  
conditions in high-speed cutting of steel. This applies, in particular, to the finishing and semi-finishing of steel by various hard-alloy tools at cutting speeds beyond the buildup range.

Operational experience with numerically controlled machine tools shows that 
existing methods of calculating the basic cutting conditions (the components of the 
cutting force and the cutting speed) are not sufficiently accurate and hence do not ensure sufficient reliability of the machining conditions.

This is associated primarily with the considerable discrepancy between the specified and actual tool life, thanks to incorrect choice of the permissible cutting speed and the discrepancy between the actual and calculated components of the cutting force. As a result, errors arise in the automatic calculation of the permissible torque and the

clamping force on the blank and in the calculation of additional constraints on the 
optimal cutting conditions.

Existing methods of determining the cutting speed, based on analytical or tabular data, actually solve one basic problem: ensuring the specified operating time for the 
cutting tool (which is the weakest link in the technological system) by determining the permissible cutting speed, taking account of various constraints on the tool strength and the machining precision and quality.

The corresponding optimization of the machining conditions does not always have the expected effect, since the conditions and constraints adopted in the calculations are not always correct. The optimal machining conditions according to any criterion may only be optimal for individual contact pairs and not for the whole machining 
process.

In calculating the machining conditions (manually or automatically), we must be aware that the results obtained for particular cutting parameters using different 
handbooks may differ by a factor of 1.5–2 in identical machining conditions. Table 1 presents the calculated cutting speeds v for turning obtained on the basis of different handbooks and calculation methods, for two contact pairs (blank–tool): 1)  ШХ15 steel–T14K8 alloy; 2) У8 steel–T5K10 alloy.

The difference between the minimum and maximum calculated cutting speeds v is 38 and 59% for the ШХ15–T14K8 and  У8–T5K10 pairs, respectively. Analogous results (but with different numerical values) may be obtained for other contact pairs. Any handbook may be used in constructing the CAD/CAM module for calculating the cutting conditions, but no handbook can guarantee that the calculated cutting speed will ensure the specified tool life.

The algorithms for automated calculation of the cutting conditions are based on conventional formulas for the cutting speed and cutting force, using correction 
coefficients for the physicomechanical properties of the blank and corrections for the cutting properties of the tool. Neither tabular not analytical calculations of the cutting speed and force take full account of the permitted (by the GOST State Standard) 
fluctuations in the cutting properties of the hard-alloy tool (made from the same 
material) and the

physicomechanical properties of the steel blanks in the batches supplied. This leads to errors in determining the cutting speed v and hence to discrepancies between the

actual and calculated tool life T.

A deficiency of the given methods of determining the permissible cutting speed v with specified life T, cutting depth t, and supply s and with constant tool geometry is that introducing corrections for the properties of the blank and the tool assumes a priori that the cutting properties of  hard-alloy plates made of the same material (in the batches

supplied) and the physicomechanical and chemical properties of blanks of a particular material (in the batches supplied) will be constant. Although the tool and blank  
properties vary widely, constant corrections corresponding to their mean values are adopted.

We know that, in the production of steel parts and hard alloy cutting plates, their 
physicomechanical properties vary, as a result of metallurgical factors. The permitted

fluctuations in the cutting properties of hard alloys are relatively large (by a factor of 1.5–2). The fluctuations in the content of carbon and the basic alloying elements within

steel of a single grade are reflected in the machining properties of the steel, as  
characterized by its hardness. Increasing the mean speed Cv and force Cp coefficients and the mean correction coefficients Km and Kt in the formulas for the permissible 
cutting speed and force cannot take account of these fluctuations. Existing calculation methods are based on the mean properties of the contact pair.

In practice, the contact pair (for example,  ШХ15–T14K8) is randomly 
formulated. For T14K8 hard alloy, the range of thermoemf variation (within a single batch), which characterizes the cutting properties of the tool, is shown in Fig. 1. For ШХ15 steel, the range of the hardness HB (within a single batch), which characterizes the machining properties of the blank, is shown in Fig. 2. The technologist calculating the cutting speed v for this pair using any available handbook data in fact considers a virtual pair with mean characteristics. This is a very dubious approach. The actual 
properties of the contact pair only become evident when we study the results of  
machining.At that point, it will be clear whether the contact pair corresponds to the virtual pair considered.

The best outcome is that the contact pair consists of a tool with the highest 
(within the batch) cutting properties (lowest E) and a steel blank with the lowest (within the batch) hardness (lowest HB). The desired (and generally assumed) outcome is a pair with the mean values of these properties. The worst outcome for automatic cutting is a 
combination of poor cutting properties of the tool and poor machining properties of the steel. In that case, the conventional correction is to reduce the cutting speed v so as to ensure the specified cutter life T.

Failure to correct the cutting speed (for lack of information on the properties of the contact pair) increases the cutter wear rate and reduces its period of reliable 
operation, with all the attendant consequences.

The machining properties of ШХ15 steel are due to the random ratio of the 
carbon content (0.95–1.05%) and chromium content (1.35–1.65%). In smelting the steel, any combination may arise. The case with the upper permissible values of the chromium and carbon contents is worst in terms of the machining properties of the steel.

Table 2 presents calculation results for the cuttingforce P based on different handbook data, when turning steel 25 and ШХ15СГ steel by a T30K4 hard-alloy cutter, in identical conditions: v = 110 m/min; cutting depth t = 2 mm; s = 0.3 mm/turn; ϕ = ϕ1 = 45°. For comparison, table 2 also presents the values of P for the same conditions 
obtained by measurements on a UDM-600 lathe dynamometer. The difference between the maximum and minimum values of Pz, Py, and Px is 43, 31, and 30%, respectively, for steel 25 and 8, 21, and 2% for ШХ15СГ steel. For steel 25, the difference between the minimum calculated and measured values is 96, 250, and 200% for Pz, Py, and Px,  
respectively; this is extremely unsatisfactory.

For steel 25, the measurements exceed the maximum calculated values by 36, 89, and 54% for Pz, Py, and Px, respectively. For ШХ15СГ steel, the measured and 
calculated cutting forces are in satisfactory agreement. Note, however, that the 
measured cutting force values for the weaker steel 25 are greater than those for ШХ15СГ steel, whose strength is 1.5–1.7 times that of steel 25. This is not a paradox but an expression of the mutual influence of the strength and technological 
characteristics of contact pairs

in high-speed cutting.

 

 

Разработка CAD/CAM модулей для назначения параметров резания

при механической обработке.

 

В обрабатывающей промышленности системы CAM (системы автоматизированного производства) обычно используются в числовом программном управлении станками и другим автоматизированным оборудованием. Такие системы позволяют проектировать технологические процессы, подготавливать управляющие программы для оборудования с числовым программным управлением, а также решать другие технологические аспекты обработки. Типичные системы САПР ТП включают (Omega ADEM Technologies LTD); T-FLEX/TechnoPro (Топ Системы) и КОМПАС/Вертикаль (АСКОН).

Каждая из этих САПР ТП включает в себя модули для автоматизированного расчета режимов резания и модули для подготовки управляющих программ, используемых в числовом программном управлении станков. Расчет режимов резания основан на методах, изложенных в руководствах и стандартах, которые не полностью учитывают условия обработки для каждой контактной пары (инструмент-заготовка) и условий контакта при высокоскоростной резке стали. Это относится, в частности, к чистовой и получистовой обработке стали различными твердосплавными инструментами при скоростях резания выше зоны наростообразования.

Опыт работы на станках с числовым программным управлением показывает, что существующие методы расчета основных режимов резания (составляющих силы резания и скорости резания) не являются достаточно точными и, следовательно, не обеспечивают достаточной надежности условий обработки.

Прежде всего, это связано с наличием значительного отклонения между заданным и фактическим сроком службы инструмента из-за неправильного выбора допустимой скорости резания и расхождения между фактическим и расчетным значениями составляющих силы резания. В результате, ошибки возникают в автоматическом расчете допустимого крутящего момента и прижимной силы на заготовке и в расчете ряда дополнительных ограничений на оптимальные условия резания.

Существующие методы определения  скорости резания на основе аналитических или табличных данных, решают, по сути, одну основную задачу: обеспечение заданного времени работы режущего инструмента (который является самым слабым звеном в технологической системе) путем определения допустимой скорости резания, принимая во внимание различные ограничения по прочности и точности и качеству обработки.

Методы оптимизации режимов обработки не всегда дают ожидаемый эффект, так как условия и ограничения, принятые в расчетах, не всегда верны. Оптимальные режимы обработки по любому выбранному критерию могут быть оптимальными только для отдельных контактных пар, а не для всего процесса механической обработки.

При расчете режимов обработки (вручную или автоматически), мы должны знать, что результаты, полученные для конкретных параметров резки с использованием различных справочники, могут отличаться в 1,5-2 раза при одинаковых условиях обработки. В таблице 1 приведены ​​рассчитанные значения скорости резания V для токарной обработки, полученные на основе различных справочников и методов расчета, для двух контактных пар (заготовка-инструмент):    1) Сталь ШХ15 и сплав Т14К8; 2) Сталь У8 и сплав Т5К10.

Разница между минимальным и максимальным значениями скорости резания V составляет 38 и 59% для пар ШХ15-Т14К8 и У8-Т5К10, соответственно. Аналогичные результаты (но с различными числовыми значениями) могут быть получены и для других контактных пар. Любой справочник может быть использован в основе CAD / CAM-модуль для расчета режимов резания, но ни 1 справочник не может гарантировать, что рассчитанная скорость резания будет обеспечивать указанный период стойкости инструмента.

Алгоритмы автоматизированного  расчета режимов резания основаны на традиционных формулах для расчета скорости резания и силы резания, с использованием поправочных коэффициентов на физико-механические свойства заготовки и поправки на режущие свойства инструмента. Ни табличные не аналитические способы расчета скорости и силы резания в полной мере не учитывают допускаемые (по ГОСТ) колебания режущих свойств твердосплавных инструментов (одного и того же материала) и физико-механические свойства стальной заготовки в партиях поставки. Это приводит к ошибкам в определении скорости резания V и, следовательно, к расхождениям между фактическим и расчетным периодом стойкости инструмента Т.

Недостатком данного метода определения допустимой скорости резания V при заданном периоде стойкости T, глубине резания t, подаче S и с постоянной геометрией инструмента является то, что при введении поправки на свойства обрабатываемого материала и инструмента априорно предполагается, что режущие свойства твердосплавных пластин одного материала (в пределах партии) и физико-механические и химические свойства заготовок из конкретного материала (в пределах партии) будут постоянным. Хотя свойства инструмента и заготовки сильно отличаются, постоянные соответствующих поправок принимаются на основе их средних значений.

Мы знаем, что в производстве стальных деталей и твердосплавных режущих пластин, их физико-механические свойства меняются, в результате металлургических факторов. Допускаемые колебания в режущих свойствах твердых сплавов относительно велики (в 1,5-2 раза). Колебания в содержании углерода и основных легирующих элементов в стали одной марки отражаются на обрабатываемости стали, так как характеризуют его твердость. Усредненные скоростные и силовые коэффициенты C_v и C_p и поправочные коэффициенты K_t и K_m в формулах допустимой скорости резания и силы резания не могут учесть эти колебания. Существующие методы расчета основаны на средних свойствах контактной пары.

На практике контактные пары (например, ШХ-15 Т14К8) формируются случайным образом. Для твердого сплава Т14К8, диапазон изменения термоЭДС (в пределах одной партии), который характеризует режущие свойства инструмента, показан на рис. 1. Для ШХ15 стали, диапазон твердости HB (в пределах одной партии), который характеризует механические свойства, показан на рис. 2. Технологический расчет скорости резания V для этой пары, с использованием любые имеющихся справочников, на самом деле считает идеальные пары со средним характеристикам. Это очень сомнительный подход. Реальные свойства контактной пары становятся очевидными только тогда,  когда мы изучаем результаты обработки. В этот момент, становится ясно, как соответствует реальная контактная пара идеальной.

Лучший результат – когда контактная пара состоит из инструмента с высокими (в пределах партии) режущие свойствами (самый низкий E) и​​ стальной заготовки с низкой (в пределах партии) жесткостью (низкий HB). Желаемый (и вообще предполагаемый) результат – пара со средними значениями этих свойств. Худший результат для автоматической резки – сочетание плохих режущих свойств инструмента с плохой обрабатываемостью стали. В этом случае обычные коррекции – это снижение скорости резания V с тем чтобы обеспечить указанный период стойкости резца Т.

Ошибки в корректировке скорости резания (по причине отсутствия информации о свойствах контактной пары) увеличивает скорость износа режущего инструмента и снижает срок его надежной работы, со всеми вытекающими отсюда последствиями.

Механические свойства стали ШХ15 различны из-за случайного отношение содержания углерода (0.95-1.05%) и содержание хрома (1.35-1.65%). В выплавке стали, могут возникнуть любые комбинации. Случай с верхними допустимыми значениями хрома и углерода является худшим с точки зрения обрабатываемости стали.

В таблице 2 представлены результаты расчетов для резания силы Р на основе различных справочных данных, при точении стали 25 и стали ШХ15 твердосплавными резцами T30K4, при одинаковых условиях: V = 110 м/мин; глубина резания Т = 2 мм; S = 0,3 мм/оборот; φ = φ1 = 45 °. Для сравнения, в таблице 2 также приведены значения Р для тех же условий полученные по результатам измерений на УДМ-600 динамометре для токарных станков. Разница между максимальным и минимальным значениями P_z, P_y и P_x составляет 43, 31 и 30% соответственно, для стали 25 и 8, 21, и 2% –  для стали ШХ15CГ. Для стали 25 разница между минимальным расчетным и измеренным значениями составляет 96, 250 и 200% для P_z, P_y, P_x и, соответственно, это крайне неудовлетворительно.

Для стали 25, измеренные значения превышают максимальные расчетные значения на 36, 89 и 54% для P_z, P_y и P_x, соответственно. Для стали ШХ15СГ измеренные и вычисленные сил резания находятся в удовлетворительном согласии. Однако следует отметить, что измеренные значения силы резания для стали 25 больше, чем для стали ШХ15СГ, прочность которой 1,5-1,7 раза выше, чем у стали 25. Это не парадокс, но выражение взаимного влияния силы и технологических характеристик контактных пар в зоне высоких скоростей резания.