G1

Moderní metody konstruování řezných nástrojů pomocí systémů CAD/CAM/CAE Závěrečná zpráva projektu FRVŠ 2636/2009/G1

Řešitel: Ing. Martin Madaj 1. spoluřešitel: prof. Ing. Miroslav Píška, CSc. 2. spoluřešitel: Ing. Jan Zouhar

Obsah 1 Úvodní informace

2

2 Anotace projektu

2

3 Cíle řešení projektu

2

4 Způsob řešení projektu 4.1 Oblast CAD – návrh geometrie nástrojů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.2 Oblast CAE – pevnostní analýzy nástrojů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4.3 Oblast CAM – výroba nástrojů . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 3 3 3

5 Změny v řešení a financování projektu 5.1 Obsahové změny . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5.2 Změny ve financování . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

3 3 4

6 Využití finančních prostředků

4

7 Ukázky výsledků a výstupů řešení 7.1 Soustružnický nůž . . . . . . . . . 7.1.1 Vyhodnocení výsledků . . . 7.2 Šroubovitý vrták . . . . . . . . . . 7.3 Fréza . . . . . . . . . . . . . . . . 7.3.1 Příklad explicitní simulace .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

. . . . .

4 4 4 7 11 11

8 Poděkování

16

Použité zdroje

20

OBSAH

1

1

Úvodní informace

Tento dokument je závěrečnou zprávou projektu FRVŠ 2636/2009 v tématickém okruhu G1. Obsahuje pouze ukázky řešení zadání projektu a následných výstupů. Vzhledem k objemu dat obsažených v projektu byl úplný textový výstup umístěn do samostatného PDF souboru, který je přílohou tohoto dokumentu. Dalšími přílohami jsou zdrojové soubory s modely, videoukázkami a HTML verze výstupů projektu.

2

Anotace projektu

Projekt je zaměřen na inovaci stávajících výukových metod konstruování, simulací a analýz namáhání obráběcích nástrojů v moderních CAD/CAM/CAE systémech, tedy systémech pro počítačem podporované modelování, inženýrské analýzy a obrábění. Tyto softwarové nástroje v současné době představují velmi rychle se rozvíjející a rozšiřující se prostředky tvorby digitálních prototypů, které vedou ke zrychlení procesu návrhu a jeho posuzování a v neposlední řadě také ke snížení celkových nákladů na vývoj nového výrobku a provádění jeho úprav. Nezanedbatelnou úlohu mají digitální modely i při prezentaci nových výrobků. Nezbytnost těchto znalostí je podepřena stále se zvětšujícím počtem licencí CAD/CAM/CAE aplikací ve strojírenských firmách, jakožto i zvyšujícím se důrazem kladeným na CAD/CAM/CAE technologie ve středním technickém školství i na vysokých školách.

3

Cíle řešení projektu

Hlavním cílem bylo seznámit zájemce pomocí příkladů s moderním CAD/CAM/CAE softwarem, resp. s jeho použitím při navrhování řezných nástrojů, popř. dosavadní znalosti uživatelů týkající se využití a způsobu práce s CAD/CAM/CAE systémy prohloubit a rozšířit. Prostředkem k dosažení tohoto cíle mělo být vytvoření studijních opor vhodných pro široké spektrum nejen stávajících uživatelů pracujících s patřičným softwarem, ale i pro ty, kteří se teprve seznamují. Zde je nutné uvést, že projekt byl koncipován tak, aby popisoval aplikaci již nabytých znalostí, tzn., že např. u CAD systémů nejsou jednotlivé příkazy a jejich použití dopodrobna rozebírány a mnohdy se jedná o pokročilejší modelovací techniky. Předpokladem však bylo, že vzhledem k plánované koncepci projektu budou mít v něm uvedené informace význam i pro úplného začátečníka v dané oblasti. Volba příkladů modelovaných nástrojů (soustružnický nůž, vrták, stopková fréza) měla být provedena tak, aby studenti mohli zařadit použité CAx systémy do kontextu látky probírané na Ústavu strojírenské technologie nejenom v předmětech, které se přímo touto problematikou zabývají, ale i tam, kde 3D modelování, analýzy a simulace nejsou přímo zmíněny. Je tím myšlen např. předmět Technologie obrábění, v jehož cvičení se studenti seznamují např. s geometrií soustružnického nože. Informace dostupné v projektu měly být díky svému zaměření využitelné i mimo obory Ústavu strojírenské technologie – obecně řečeno všude tam, kde se využití současných moderních návrhových a vizualizačních nástrojů předpokládá nebo by přinejmenším bylo vhodné. Konkrétní výstupy z projektu, které měly být vytvořeny:

∙ Dokumenty s postupem řešení vzorových úloh, ∙ vzorové soubory vytvořených modelů v nativních formátech použitých aplikací a ve formátech vhodných pro elektronickou spolupráci,

∙ videoukázky popisující práci s danými aplikacemi, ∙ prezentace pro představení projektu zájemcům o danou problematiku. Výstupy z projektu měly být snadno dostupné jak v PDF formátu, tak v HTML formátu pro online přístup. 3

CÍLE ŘEŠENÍ PROJEKTU

2

4

Způsob řešení projektu

Pro zpracování ve vzorových úlohách byly vybrány následující nástroje: upichovací a zapichovací soustružnický nůž, šroubovitý vrták a čelní válcová fréza. Celé řešení bylo rozděleno na tři základní oblasti, které jsou popsány níže.

4.1

Oblast CAD – návrh geometrie nástrojů

Jednalo se o fázi tvorby geometrie obráběcího nástroje ve 3D modeláři a následnou přípravu těchto dat pro analýzu pomocí MKP. U každého nástroje byl buď formou videoukázky nebo popisu s obrázky (popř. oběma způsoby) zaznamenán postup jeho tvorby, takže sdělené informace o modelovacích postupech bude moci případný zájemce kdykoliv snadno zopakovat. Použité aplikace (Autodesk Inventor Professional 2010 a SolidWorks 2009) patřív oblasti středních CAD systémů mezi nejpoužívanější a ve výuce jsou hojně zastoupeny i na FSI VUT v Brně. Pro lepší pochopení uvedených postupů jsou k dispozici i finální modely nástrojů.

4.2

Oblast CAE – pevnostní analýzy nástrojů

Fáze analýzy modelu obráběcího nástroje metodou konečných prvků. 3D modely získané z CAD aplikací (viz kapitola 4.1) byly podrobeny analýze pomocí metody konečných prvků. Stejným způsobem jako v kap. 4.1 byl zdokumentován postup načtení dat do CAE softwaru, vytvoření sítě konečných prvků, nastavení obecné okrajové podmínky (zatížení + okrajové podmínky), řešení a interpretace výsledků. Pro tento účel byly použity aplikace ANSYS Workbench, LS-PrePost a LS-Dyna, které v dané oblasti patří mezi světovou špičku. V případě softwaru LS-PrePost a LS-Dyna se jednalo o explicitní analýzu – simulaci obrábění, která zejména v poslední době začíná být díky stále se zvyšujícím výkonům výpočetní techniky aktuální i v oblasti 3D simulací. Pro lepší pochopení popisovaných úloh byla opět dány k dispozici vzorové soubory.

4.3

Oblast CAM – výroba nástrojů

Fáze výroby nástroje na základě dat získaných v předcházejících krocích (kap. 4.1 a 4.2). Tato část řešení projektu se zaměřila na představení výroby rotačních nástrojů a demonstrována byla na příkladu výroby vrtáku (při výrobě frézovacího nástroje by byla použitá stejná technologie – stroje, nástroje i softwarové vybavení). Byl zdokumentován postup od broušení výchozího polotovaru na kulato, přes simulace v softwaru NUMROTOplus, až po závěrečnou optickou kontrolu vybroušeného nástroje. K dispozici je opět textový popis, fotografie z výroby i screenshoty z aplikace NUMROTOplus a několik videoukázek přímo z výroby. Software NUMROTOplus používaný na nástrojářských CNC bruskách patří mezi špičku v dané oblasti obrábění, ale povědomí o něm není rozšířeno tak, jako u „klasických“ CAM aplikací pro soustružení, frézování a vrtání, které jsou díky svému obecnějšímu zaměření používány i ve výuce.

5

Změny v řešení a financování projektu

5.1

Obsahové změny

Byla provedena drobná změna v části projektu zabývající se počítačem podporovanou výrobou (CAM): aplikace pro soustružení a frézování zmiňované v přihlášce jsou obecně dobře známé a rozšířené jak v průmyslu, tak ve školství a jsou vyučovány i na Ústavu strojírenské technologie. Jako vhodný doplněk z velmi důležité oblasti obrábění – výroby a renovace vrtacích a frézovacích nástrojů pomocí broušení – byla proto namísto nich vybrána aplikace NUMROTOplus.

5

ZMĚNY V ŘEŠENÍ A FINANCOVÁNÍ PROJEKTU

3

5.2

Změny ve financování

Byl proveden přesun finančních prostředků v rámci položky Ostatní z tuzemského cestovného na náklady týkající se SW a HW dovybavení kanceláře. Tato změna byla schválena.

6

Využití finančních prostředků

Finanční prostředky byly využity v souladu s přihláškou projektu s respektováním schválených změn, viz tab. 1. Položky výdajů Odměny za řešení projektu Stipendia Ostatní osobní náklady Služby Cestovné zahraniční Ostatní Celkem

Příspěvek školy [tis. Kč] 0 0 0 0 0 0 0

Dotace z FRVŠ [tis. Kč] Přiděleno Využito 3 3 30 30 0 0 0 0 0 0 34 34 67 67

Tabulka 1: Využití přidělených finančních prostředků

Odměna za řešení projektu Odměna pro 1. spoluřešitele. Stipendia Stipendia pro řešitele a 2. spoluřešitele. Ostatní Včetně provedené změny přesunu finančních prostředků: 2× LCD panel, 1× klasické polohovací zařízení, 2× 3D polohovací zařízení pro CAx aplikace (díky přenosnosti možnost i ve výuce), 1× licence softwaru pro snímání obrazovky, 1× multifunkční laserová tiskárna, kancelářský materiál.

7

Ukázky výsledků a výstupů řešení

Textový výstup do formátu PDF byl vypracován ve volně šiřitelném frontendu LATEXu – v aplikaci LYX. PDF soubory je možné prohlížet zdarma dostupnými programy Adobre Reader nebo Foxit Reader. Videoukázky jsou ve formátu *.mpg a *.swf (flash). Pro přehrání flashe je potřeba mít nainstalován Adobe Flash Player. Externí soubory lze otevírat přímo z hlavního PDF dokumentu. Pro snadný online přístup je obsah PDF souboru s úplným řešením projektu k dispozici i ve formátu HTML. Rovněž byl vytvořen digitální model soustružnického nože ve formátu *.dwfx obsahující popis geometrie soustružnického nože, popis jednotlivých nástrojových rovin a řezy těmito rovinami ve 2D formě i ve formě animací. Níže jsou ukázky z některých kapitol vypracovaného řešení projektu, celý obsah je v PDF dokumentu Moderní metody konstruování řezných nástrojů pomocí systémů CAD/CAM/CAE.

7.1 7.1.1

Soustružnický nůž Vyhodnocení výsledků

Zajímá nás globální napjatost celého nástroje a jeho celková deformace.

7

UKÁZKY VÝSLEDKŮ A VÝSTUPŮ ŘEŠENÍ

4

Podíváme-li se na hodnoty ekvivalentního (von-Misesova) napětí, nachází se extrém (3909, 3 𝑀 𝑃 𝑎, což je téměř 1, 5×více, než uvedená 𝑅𝑒 břitové destičky) v místě, kde působí silové zatížení, přesněji řečeno v oblasti přechodu mezi zatíženou a nezatíženou plochou. Na obr. 1 je mimo jiné dobře patrná nažloutlá linie procházející podél hrany zatížené plochy s hodnotami napětí kolem 2500 𝑀 𝑃 𝑎. Mimo oblast zatížených ploch napětí poměrně prudce klesá – velmi dobře to je patrné na čele VBD. Na detailu oblasti s maximálním ekvivalentním napětím (obr. 2) je vidět, že maximální napětí je na přechodu zatížené a nezatížené plochy rozloženo do několika uzlů. Tyto výsledky jsou v daném místě silně ovlivněny okrajovými podmínkami – velké síly působící na malé plošky. V případě, že bychom se oblastí břitu chtěli zabývat důkladněji, s cílem získat věrohodnější výsledky, bylo by vhodné řešit tento problém jako kontaktní úlohu. Řešení pomocí kontaktní úlohy by mělo vliv zejména na rozložení silového zatížení na ploše hřbetu a čela a následně i na hodnoty von-Misesova napětí.

Obrázek 1: Ekvivalentní napětí na břitu

Obrázek 2: Detail na místo maximálního ekvivalentního napětí

Pro případ, kdy nás zajímá napjatost celého nástroje, můžeme hodnoty v okolí břitu ignorovat. Snížíme (přepíšeme) proto v zobrazené stupnici hodnotu maximálního napětí na 200 𝑀 𝑃 𝑎 (druhé políčko shora). Je patrné, viz obr. 3, že nikde není překročena mez kluzu daných materiálů. V místě přechodu upnuté a neupnuté plochy na nožovém držáku vznikly koncentrace napětí o velikosti cca 63 𝑀 𝑃 𝑎.

Obrázek 3: Ekvivalentní napětí v nástroji po úpravě stupnice

7


5

Celková deformace nástroje je největší v místě břitu a činí přibližně 0, 0305 𝑚𝑚., viz obr. 4.

Obrázek 4: Celková deformace nástroje Video s výsledky je možné prohlédnout zde, soubor projektu Ansys Workbench s uvedeným příkladem můžete otevřít z tohoto odkazu.

7


6

7.2

Šroubovitý vrták

Krok 10 – Výbrus špičky 2 Druhý výbrus špičky již nebudeme provádět pomocí modelu kotouče (ve skutečnosti se samozřejmě nadále brousí diamantovým kotoučem), ale použijeme pracovní rovinu, pomocí které část špičky odřízneme. V rovině XY𝐺𝑆𝑆 vytvoříme náčrt pomocné úsečky, kterou zapolohujeme vzhledem k počátku souřadného systému. Poloha úsečky je volena přibližně tak, aby byla rovnoběžná s hlavním ostřím vrtáku. Příkazem Kruhové pole úsečku orotujeme o 180∘ . Dokončíme náčrt a jednu z úseček vysuneme do plochy hřbetu vrtáku. Následně propojíme koncové body vysunuté plochy protínající hřbet vrtáku pomocí čáry 3D náčrtu. Popisovaný postup je na obr. 5. Pomocí čáry 3D náčrtu a vysunuté plochy vytvoříme pracovní rovinu skloněnou pod úhlem 68∘ . Touto pracovní rovinou odřízneme horní část vrtáku (směrem ke špičce). Pracovní rovina skloněná pod zadaným úhlem je na obr. 6.

Obrázek 5: Pomocné prvky pro skloněnou pra- Obrázek 6: Pracovní rovina druhého výbrusu covní rovinu Stejný postup zopakujeme i pro druhou stranu vrtáku, druhý hřbet. Na obr. 7 je celkový výbrus špičky vrtáku po provedeném druhém kroku.

Obrázek 7: Druhý výbrus špičky 7


7

Podrobný postup modelování je zachycen na videoukázce. Krok 11 – Výbrus špičky 3 Finální výbrus špičky provedeme podobným způsobem jako první výbrus – vysunutím kružnice o průměru brousicího kotouče 12V9-45° 100-18-10-2-20. Nejprve poloměrem 0, 15 𝑚𝑚 dodatečně zaoblíme hrany vzniklé po zářezu kotouče při provádění prvního výbrusu. Poté ve 3D náčrtu úsečkou propojíme vnější špičku vrtáku a konec stávajícího příčného ostří. Na vnější špičce vytvoříme pracovní rovinu kolmou na propojovací úsečku (obr. 8) a založíme v ní 2D náčrt. Do náčrtu nakreslíme kružnici o průměru 100 𝑚𝑚, obvod kružnice ztotožníme s promítnutým bodem vnější špičky (mělo by se zároveň jednat o počátek náčrtu) pomocí vazby. Střed kružnice se musí nacházet vlevo od bodu vnější špičky ve vzdálenosti 4, 056 𝑚𝑚 (obr. 9). Hodnota je volena přibližně.

Obrázek 8: Kolmá rovina pro náčrt

Obrázek 9: Náčrt a poloha kružnice kotouče

Kružnici vysuneme na obě strany se současným odebráním materiálu. Pomocí kruhového pole prvek zkopírujeme na druhý břit vrtáku. Dokončený výbrus špičky je zachycen na obr.10.

Obrázek 10: Třetí výbrus špičky

7


8

Podrobný postup modelování je zachycen na videoukázce. Krok 12 – Chladící kanály V posledním kroku zbývá vytvořit chladící kanály vrtáku. Ještě předtím ale provedeme zkosení hran na počátku a konci stopky. Počátek stopky je zkosen pod úhlem 30∘ , výška zkosení je rovna polovině rozdílu mezi průměrem stopky a průměrem řezné části vrtáku u stopky. Operace je provedena odebráním materiálu pomocí rotace trojúhelníka. Na konci stopky je zkosení 0, 5 × 60∘ . Dále je možno pokračovat s modelováním chladících kanálů. V rovině XY𝐺𝑆𝑆 vytvoříme 2D náčrt se dvěma kružnicemi představujícími otvory chladících kanálů. Poloha a rozměry načrtnuté geometrie jsou na obr. 11. Poté příkazem Spirála vymodelujeme chladící kanály, viz. obr. 12 – stoupání šroubovice je 29 𝑚𝑚, délka 66 𝑚𝑚.

Obrázek 11: Náčrt chladících kanálů

Obrázek 12: Vymodelované chladící kanály

Na závěr vytvoříme prořez chladícími kanály, který slouží k přívodu procesní kapaliny do kanálů. Ve skutečnosti se prořez kanály provádí hned jako první obráběcí operace po broušení polotovaru na kulato. Na zadním čele stopky vytvoříme náčrt a pomocnou čarou propojíme středy obou otvorů chladících kanálů. Náčrt ukončíme. Uprostřed propojovací čáry vytvoříme kolmou pracovní rovinu, do které nakreslíme profil prořezu. Profil vysuneme na obě strany se současným odebráním materiálu. Ukázka vysunutí profilu prořezu je na obr. 13.

Obrázek 13: Prořez chladícími kanály 7


9

Dokončený model vrtáku je na obr. 14. Podrobný postup modelování je zachycen na videoukázce.

Obrázek 14: Dokončený model vrtáku

7


10

7.3 7.3.1

Fréza Příklad explicitní simulace

Praktický příklad simulace obrábění je prezentován v prostředí programu ANSYS LS-Dyna a LS-PrePost. Program LS-Dyna je integrován do prostředí ANSYS. Zde lze vytvořit kompletní úlohu. Všechny možnosti nastavení výpočtu nejsou obsaženy v prostředí ANSYS z důvodu historické samostatnosti programu LS-Dyna. Úloha je řešena ve třech základních krocích:

∙ PreProcessing – příprava výpočtu a definice jeho parametrů, generování sítě a okrajových podmínek,

∙ Processing – generování .k souboru, spuštění výpočtu, ∙ PostProcessing – práce s výsledky výpočtu. Při definováni výpočtu ve fázi Preprocessingu můžeme postupovat několika způsoby v rozdílných prostředích. Výsledkem této fáze je vygenerovaný soubor s příponou .k, který je načten do výpočtu. V tomto souboru jsou všechny příkazy a parametry výpočtu. Způsoby získání .k souboru jsou různé: Definice výpočtu v prostředí ANSYS Zde lze vytvořit kompletní geometrii, vygenerovat síť konečných prvků a nastavit základní parametry a možnosti výpočtu. Poté je vygenerován .k soubor a spuštěn výpočet. Generace geometrie a sítě v prostředí ANSYS Vytvoření .k souboru a jeho ruční úprava. Tato možnost dovoluje definici všech úprav a nastavení výpočtu. Využití programu LS-PrePost Zde lze vytvořit geometrii, sítě a nastavit většinu parametrů výpočtu. Pro svou jednoduchost je v dalším textu použit program LS-PrePost. Ten lze zdarma získat u společnosti LSTC. Program ve verzi 2.4 nevyžaduje instalaci pro prostředí Windows. Kompletní popis prostředí i funkcí programu lze nalézt na adrese domovských stránkách programu. Úvodní obrazovka programu je zachycena na Obr. 15. Práce s geometrií modelu je realizována pomocí listu 7. V tomto listu jsou i funkce pro práci se sítí.

Obrázek 15: Úvodní obrazovka programu LS-PrePost 7


11

Popis prostředí LS-PrePost z obr. 15: 1. Menu – práce se soubory a nastavení programu. 2. Grafické okno – zobrazení modelu, použito OpenGL. 3. Stránky – přístup k funkcím pro editaci modelu i zadání úlohy. 4. Ovládání vzhledu – rychlé funkce pro práci s vizualizací modelu. 5. Primární zadání příkazu – podle zvolené funkce jsou zde nastaveny její atributy. 6. Sekundární zadání příkazu – možnosti označování entit a okno animace. 7. Příkazový řádek – pole pro textové zadávání příkazů, výpis chybových hlášení. 8. Stavový řádek – výpis informací o příkazu, rychlá nápověda s užitečnými informacemi. Jako ukázková úloha je pro svou relativní jednoduchost vybráno ortogonální obrábění. Nástroj je zjednodušen pouze na řezný klín definovaný úhlem čela a hřbetu. Tento proniká do materiálu konstantní rychlostí a konstantním záběrem. Tato situace se vyskytuje v reálných aplikacích jako hoblování, obrážení nebo soustružení trubkovitého materiálu velkého průměru zapichováním. Analýzy jsou zjednodušeny pro snadnou manipulovatelnost a rychlé osvojení si programu i programování kódu. Nastavení analýzy Geometrie nástroje je načtena z předem připraveného souboru příkazem File – Import – „výběr požadovaného typu souboru“ . List 7

SurMesh – vytvoření požadované sítě. Po zvolení velikosti elementu a plochy dojde k automatickému výpočtu sítě. Pozor na příliš malé elementy které neúměrně snižují výpočetní krok. Pokud načtené plochy nejsou rozděleny na jednotlivé součásti (part – odlišen barevně), pak je lze upravit v záložce Surface. Vygenerovaná síť je zobrazena na obr. 16.

Obrázek 16: Vygenerovaná síť

7


12

List 5

SetD – *SET_NODE – vytvoření skupin uzlů pro definici vazeb a pohybu 4 skupin: celý nástroj, celý obrobek, spodní řada uzlů obrobku a krajní strana obrobku.

List 5

SetD – *SET_PART – vytvoří označení jedné nebo více součástí.

List 3

*Define – CURVE – definice křivky rychlosti pro nastavení pohybu (viz tab. 2): A1 0, 0000000 0, 0100000 50, 0000000

O1 −0, 0050000 −3, 0000000 −3, 0000000

Tabulka 2: Definice křivky rychlosti

List 3

*Boundry – SPC_SET – definice vazeb pro vybrané skupiny: nástroj – y,z; obrobek – z; spodní strana obrobku – x,y; boční strana obrobku – x,y.

List 3

*Boundry – BOUNDARY_PRESCRIBED_MOTION_RIGID – nastavení pohybu pro nástroj, výběr skupiny a křivky.

List 3

*Contact – CONTACT_2D_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE – výběr součástí v kontaktu obrobek-nástroj, druhý kontakt definovat jako obrobek-obrobek.

List 3

*Section – SHELL – definice 2D úlohy a typu elementů. ELFORM 13 – typ prvku, T1 – tloušťka skořepiny.

List 3

*Define – CURVE – definice křivky skutečného napětí – logaritmické přetvoření pro daný materiál.

List 3

*Mat - definice materiálu: obrobek MAT_PIECEWISE_LINEAR_PLASTICITY – materiál odpovídající podmínce redukovaného přetvoření, zadání křivky napětí – logaritmické přetvoření; nástroj MAT_RIGID – tuhý materiál pro nástroj.

List 3

*Control – ENERGY – nastavení vypočtu energií.

List 3

*Control – SHELL – nastavení chování skořepinových elementů během výpočtu.

List 3

*Control – TERMINATION – nastavení konce výpočtu.

List 3

*Control – TIMESTEP – nastavení časového kroku.

List 3

*Dbase – BINARY_D3DUMP – nastavení zápisu zálohy výpočtu (restart souboru).

List 3

*Dbase – BINARY_D3PLOT – nastavení zápisu výsledků.

List 3

*Dbase – BINARY_D3THDT – nastavení časové historie skupin.

List 3

*Dbase – EXTENT_BINARY – nastaveni zápisu binárních souborů.

File – Save Keyword – uložení .k souboru.

7


13

Spuštění výpočtu Spustíme program ANSYS Product Launcher a nastavíme Simulation Environment (prostředí simulace) – LS_Dyna Solver a vybereme příslušnou licenci, viz obr. 17. Na kartě File Management nastavíme vstupní .k soubor a podle potřeby vybereme pracovní složku. V záložce Customization/Preferences zvolíme počet procesorů. Pole paměti vyplňujeme pouze pokud se jedná o velkou úlohu, jinak program paměť přiřadí automaticky. Výpočet spustíme kliknutím na Run. Objeví se okno s textovým výpisem stavu úlohy.

Obrázek 17: ANSYS Product Launcher Při běhu lze výpočet přerušit stisknutím kláves Ctrl+C. Program čeká na příkaz, nejpoužívanější jsou tyto čtyři: sw1

konec výpočtu,

sw2

pokračování výpočtu,

sw3

zápis restartovacího souboru a pokračování ve výpočtu,

sw4

zápis výsledkového souboru a pokračování ve výpočtu.

Po skončení výpočtu je do prostředí LS-PrePost načten výsledkový soubor (d3plot), viz obr. 18. V okně animace lze přehrávat pohyb součástí. Pro vyhodnocení veličin slouží zejména příkazy: ASCII

Načítání výsledků v ASCII formátu, typický je soubor sil rcforce.

Fcomp

Obsahuje zobrazení většiny hodnot jako je napětí, přetvoření, deformace a mnoho dalších.

History

Tímto příkazem lze sledovat průběh určené veličiny v čase na určeném prvku, výstupem je grafické zobrazení.

7


14

Obrázek 18: Výsledkový soubor – d3plot K získání grafických výstupů lze použít příkaz File – Print. Pro vytvoření animace slouží příkaz File – Movie. 3D explicitní analýza Analýza popsaná výše je pouze dvourozměrná – 2D. LS-Dyna se v posledních letech soustředí na vývoj prostředí pro řešení a optimalizaci 3D úloh. Jejich definice se od 2D úloh příliš neliší. Časová úspora u výpočtů při dnešních výpočetních výkonech klesá. Pro převod do 3D je zapotřebí provést následující změny: 1. Síť je nutné vytvořit ze 3D prvků (typ Solid). 2. Kontakt změnit na CONTACT_AUTOMATIC_SURFACE_TO_SURFACE 3. *Section – SOLID – je potřeba určit objemové prvky. V dalších krocích a nastaveních se 3D úloha od 2D varianty neliší. Pokud již přecházíme do 3D úlohy lze se zaměřit na materiálová model lépe popisující stav reálného materiálu při obrábění. Z tohoto důvodu lze zvolit materiálový model Johnson-Cook. Ve 3D souboru provedeme tyto změny: 1. Kontakt je změněn na *CONTACT_ERODING_SURFACE_TO_SURFACE. 2. Materiál: *MAT_JOHNSON_COOK, pro obrobek jsou aplikovány i parametry porušení 𝐷1−𝐷5, pro nástroj nejsou definovány. 3. Definice stavové rovnice materiálu: *EOS_LINEAR_POLYNOMIAL. V dalších parametrech se úloha neliší od předešlé 2D úlohy. Připravené soubory jsou k dispozici zde: 2D úloha, 3D úloha.

7 UKÁZKY VÝSLEDKŮ A VÝSTUPŮ ŘEŠENÍ

15

8

Poděkování

Projekt vznikl za podpory Fondu rozvoje vysokých škol tvořeného finančními prostředky Ministerstva školství, mládeže a tělovýchovy. Autoři děkují za poskytnutí aktuálních technických informací týkajících se výroby vrtacích a frézovacích nástrojů společnosti ROTANA a.s. Za konzultaci týkající se problematiky analýzy pomocí MKP děkují Ing. Tomáši Návratovi, Ph.D.

8

PODĚKOVÁNÍ

16

Použité zdroje [1] Soustružení. PRAMET TOOLS.[online]. [2009][cit. 2009-08-13]. Dostupné z WWW: http://www.pramet.com/download/katalog/pdf/Turning%202009%20CZSK%20screen.pdf. [2] STEPHENSON, D.A., AGAPIOU, J.S. Metal cutting theory and practice. 2nd edition. 2006, CRC Press, 846 s. ISBN 0824758889. [3] AISI 1064 Steel, hot rolled, 19-32 mm (0.75-1.25 in) round. AUTOMATION CREATIONS, Inc. [online]. 1996-2009 [cit. 2009-10-20]. Dostupné z WWW: http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatGUID=6437bb6699f34da392ca59444b65ae7a&ckck=1. [4] FOREJT, M., PÍŠKA, M. Teorie obrábění, tváření a nástroje. 2006. Brno: Akademické nakladatelství CERM, s. r. o., 226 s. ISBN: 80-214-2374-9. [5] HUMÁR, A. Materiály pro řezné nástroje. 2008. Praha: MM Publishing, s. r. o., 240 s. ISBN: 978-80-254-2250-2. [6] CAKIR, M. CEMAL, SIK, YAHYA I. Finite element analysis of cutting tools prior to fracture in hard turning operations. Materials & Design. 2005, Vol. 26/2, pp. 105-112. ISSN 0261-3069. [7] HUMÁR, A. TECHNOLOGIE I, TECHNOLOGIE OBRÁBĚNÍ – 1. část.[online]. Studijní opory pro magisterskou formu studia. VUT v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2003, 138 s. Dostupné z WWW: http://ust.fme.vutbr.cz/obrabeni/opory-save/TI_TO-1cast.pdf. [8] HUMÁR, A. TECHNOLOGIE I, TECHNOLOGIE OBRÁBĚNÍ – 2. část.[online]. Studijní opory pro magisterskou formu studia. VUT v Brně, Fakulta strojního inženýrství, 2003, 94 s. Dostupné z WWW: http://ust.fme.vutbr.cz/obrabeni/opory-save/TI_TO-2cast.pdf. [9] Nápověda SolidWorks 2009. DASSAULT SYSTEMES. [CD-ROM], 2009. [10] HSIEH, J.-F. Mathematical Modeling of a Complex Helical Drill Point. Journal of Manufacturing Science and Engineering. 2009, Vol. 131/6, pp. 061006. [11] KIM, J. H., PARK, J. W., KO, T. J. End mill design and machining via cutting simulation. Computer-Aided Design. 2008, Vol. 40/3, pp. 324-333. ISSN 0010-4485. [12] REN, K., NI, J. Analyses of Drill Flute and Cutting Angles. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 1999, Vol. 15, pp. 546-553. [13] TANDON, P., KHAN, M. R. Three dimensional modeling and finite element simulation of a generic end mill. Computer-Aided Design. 2009, Vol. 41/2, pp. 106-114. ISSN 0010-4485. [14] TANDON, P., GUPTA, P., DHANDE, S. G. Geometric Modeling of End Mills. Computer-Aided Design & Applications. 2005, Vol. 2, pp. 57-65. [15] TANDON, P., GUPTA, P., DHANDE, S. G. Modeling of twist drills in terms of 3D angles. The International Journal of Advanced Manufacturing Technology. 2008, Vol. 38/5, pp. 543-550. [16] VIJAYARAGHAVAN, A., DORNFELD, D. Automated Drill Modeling for Drilling Process Simulation. UC Berkeley: Laboratory for Manufacturing and Sustainability. 2006. Dostupné z WWW: http://www.escholarship.org/uc/item/15v2q84k. [17] ZHANG, W. et al. A practical method of modelling and simulation for drill fluting. International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2006, Vol. 46/6, pp. 667-672. ISSN 0890-6955. POUŽITÉ ZDROJE

17

[18] 5ti-osé kamerové měřící centrum ZOLLER GENIUS III. ROTANA.[online]. [2009][cit. 2009-11-08]. Dostupné z WWW: http://www.rotana.cz/57-5ti-ose-kamerove-merici-centrum-zollergeniusiii.html. [19] The tool inspection product line »genius«. ZOLLER. [online]. last updated: 2008-08-20 [cit. 2009-11-08]. Dostupné z http://www.zoller-usa.com/pic/prod/genius/genius_011.jpg.

2008, WWW:

[20] ŽÁRA, J. et al. Moderní počítačová grafika: kompletní průvodce metodami 2D a 3D grafiky. 2nd enl. edition. Brno: Computer Press, 2004. 609 s. ISBN 80-251-0454-0. [21] Materiály používané k výrobě fréz. ZPS – FRÉZOVACÍ NÁSTROJE a.s.[online].[cit. 2007-07-19]. Dostupné z WWW: http://www.zps-fn.cz/index.php?hid=1112. [22] BUDAK, E., ALTINTAS, Y. Peripheral milling conditions for improved dimensional accuracy. Int. J. Mach. Tools Manuf.. 1994, Vol. 34/7, pp. 907-918. [23] KIVANC, E. B., BUDAK, E. Structural modeling of end mills for form error and stability analysis. In International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2004, Vol. 44/11, pp. 1151-1161. [24] SALGADO M. A. et al. Evaluation of the stiffness chain on the deflection of end-mills under cutting forces. In International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2005, Vol. 45/6, pp. 727-730. [25] TLUSTY, J. Manufacturing Process and Equipment. 1st edition. Prentice Hall, 1999. 928 p. ISBN10: 0201498650. [26] LEE, H.U., CHO, D. W. Development of a reference cutting force model for rough milling feedrate scheduling using FEM analysis. In International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2007, Vol. 47/1, pp. 158-167. [27] ŘASA, J. Výpočetní metody v konstrukci řezných nástrojů. 1986. SNTL/ALFA Praha, 460 s. [28] PAPEŽ, K. Konstrukce nářadí I. 1980. 2. vyd. Brno: SNTL. 376 s. [29] UHLMANN, E., SCHAUER, K. Dynamic Load and Strain Analysis for the Optimization of Micro End Mills. In CIRP Annals – Manufacturing Technology. 2005, Vol. 54/1, p. 75-78. [30] PÍŠKA, M., POLZER, A. Studie řezivosti hrubovacích fréz z produkce ZPS-FN, a.s., Zlín. In Sborník odborné konference Frézování III. Brno: FSI VUT v Brně, 2003. s. 145-158. ISBN 80-2142436-2. [31] SARHAN, A. et al. Interrelationships between cutting force variation and tool wear in end-milling. In Journal of Materials Processing Technology. 2001, Vol. 109/3, p. 229-235. [32] LEE, L.C., LEE, K.S., GAN, C.S. On the correlation between dynamic cutting force and tool wear. Int. J. Mach. Tools Manuf. 1989, Vol. 29/3, p. 295-303. [33] HALLQUIST, J. O. LS-DYNA theoretical manual. 2006. Livermore Software technology Corporation, USA: California, Livermore, 2206 p. [34] ÖZEL, T., ZEREN, E. Finite Element Modeling of Stresses Induced by High Speed Machining with Round Edge Cutting Tools. In Proc. of IMECE´05, Paper No.81046, Orlando, Florida, USA, 5-11 November, 2005. [35] YEN, Y.-CH., JAIN, A., ALTAN, T. A finite element analysis of orthogonal machining using different tool edge geometries. In Journal of Materials Processing Technology. 2004, Vol. 146, pp. 72-81, ISSN 0924-0136. POUŽITÉ ZDROJE

18

[36] GINLEY MAC, T., MONAGHAN, J., Modelling the orthogonal machining process using coated cemented carbide cutting tools. In Journal of Materials Processing Technology. 2001, Vol. 118/13, p. 293-300. [37] LIANG R., KHAN A.S. A critical review of experimental results and constitutive models for BCC and FCC metals over a wide range of strain rates and temperatures. Elsevier, In International Journal of Plasticity. 1999, Vol. 15/9, p. 963-980. [38] BOŘKOVEC, J., SUCHÁNEK, M. Výpočtové modely tvárného porušování kovů v simulaci technologických procesů, Závěrečná zpráva projektu FRVŠ 2842/2006/G1. [39] SOO, S. L., ASPINWALL, D. K. Developments in modelling of metal cutting processes. In Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers. Vol. 221, N. 4/2007, p. 197-211, ISSN 1464-4207. [40] CHOI, J., MIN, S., DORNFELD, D. Finite Element Modeling of Burr Formation in Drilling of a Multi-Layered Material. Burr Formation, Deburring & Surface Finishing. 2004. University of California at Berkeley, Research report 2004, pp. 102-108. [41] PETRARIU, V., AMARANDEI, D., ALACI, S. Study about finite element analysis of high speed drilling. Fascicle of Management and Technological Engineering. 2008, No. 7, pp. 1684-1689. [42] MILLER, S. F., SHIH, A. J. Thermo-mechanical finite element modeling of the friction drilling process. In Trans. ASME, J. Manuf. Sci. Eng.. 2007, No. 129, pp. 531-538. [43] WATANABE, K., UMEZU, Y. Cutting simulation using LS-DYNA3D, In: Third International LSDYNA3D Conference. 1995, Kyoto research park, Kyoto, Japan, pp. 1-17. [44] PANTALÉ, O. et al. 2D and 3D numerical models of metal cutting with damage effects. In Computational Methods in Applied Mechanics and Engineering. 2004, Vol. 193, pp. 4383-4399. [45] SOO, S. L., ASPINWALL, D. K., DEWES, R. C. 3D FE modelling of the cutting of Inconel 718. In Journal of Materials Processing Technology. 2004, Vol. 150/1-2, pp. 116-123. [46] SAFFAR, J. R. et al. Simulation of three-dimension cutting force and tool deflection in the end milling operation based on finite element Metod. In Simulation Modelling Practice and Theory, 2008, No. 16, pp. 1677-1688. [47] MAUREL, A., et al. Experiments and FEM Simulations of Milling Performed to Identify Material Parameters. Int J Mater Form. 2008, No. 1, pp. 1435-1438. [48] ZEMAN, P. Možnosti simulace řezného procesu. MM Průmyslové spektrum. Vol. 2007/12, pp. 3839. ISSN 1212-2572. [49] FOREJT, M. et al. Mechanické vlastností vybraných ocelí za vyšších rychlostí deformace. Zpráva výzkumného projektu MSM 262100003. [online].2004. Dostupné z WWW: http://www.ust.fme.vutbr.cz/tvareni. [50] BUCHAR J., VOLDŘICH J.: Terminální balistika. Academia, Praha 2003. ISBN 80-200-1222-2. [51] PETRUŠKA, J. Počítačové metody mechaniky II.[online]. 2003, Dostupné z WWW: http://www.umt.fme.vutbr.cz. [52] ZOUHAR, J. Engineering analysis in CAD systemes. LVEM – Low Voltage Electrical Machines. 2006. BUT, Brno, Šlapanice. pp. 286/292. ISBN 80-214-3159-8.

POUŽITÉ ZDROJE

19

[53] STOLARSKI, T., NAKASONE, Y., YOSHIMOTO, S. Engineering analysis with ANSYS software. Oxford: Elsevier, 2006. 456 s. ISBN 0-7506-6875-X. [54] NG, E.-G., ASPINWALL, D.K. Modelling of hard part machining. In Journal of Materials Processing Technology. 2002, Vol. 127, pp. 222-229. ISSN 0924-0136. [55] BARGE, M. et al. Numerical modelling of orthogonal cutting: influence of numerical parameters. In Journal of Materials Processing Technology 2005, Vol. 164-165, pp. 1148-1153. ISSN 0924-0136. [56] KIM, J. D., MARINOV, V. R., KIM D.S. Built-up edge analysis of orthogonal cutting by the viscoplastic finite-element method. In Journal of Materials Processing Technology. 1997, Vol. 71, pp. 367-372. ISSN 0924-0136. [57] CALAMAZ, M., et al. Toward a better understanding of tool wear effect through a comparison between experiments and SPH numerical modelling of machining hard materials. Int. Journal of Refractory Metals & Hard Materials, 2009, No. 27, pp. 595-604. [58] JASPERS, S.P.F.C., DAUTZENBERG, J.H. Material behavior in conditions similar to metal cutting: flow stress in the primary shear zone. In Journal of Materials Processing Technology. 2002, Vol. 122, pp. 322-330. ISSN 0924-0136. [59] CHILDS, T.H.C. Material property needs in modelling metal machining. In Proceedings of the CIRP InternationalWorkshop of Machining Operations. 1998, Atlanta, Georgia, USA, pp. 193-202. [60] ÖZEL, T., ZEREN, E. Finite Element Method Simulation of Machining of AISI 1045 Steel With A Round Edge Cutting Tool. ASME International Mechanical Engineering Congress & Exposition. 2005, Orlando, USA. [61] JOHNSON, G. R., HOLMQUIST, T. J. Test data and computational strength and fracture model constants for 23 materials subjected to large strain, high strain rates, and high temperature. Los Alamos National Laboratory: Technical Report LA-11463-MS, 1989. [62] BATRA R.C., STEVENS J.B. Adiabatic shear bands in axisymmetric impact and penetration problems. In Computer Methods in Applied Mechanics and Engineering. 1998, No. 151, pp. 325342. [63] BORVIK, T., HOPPERSTAD, O. S, BERSTAD, T. On the influence of stress triaxiality and strain rate on the behaviour of a structural steel. Part II. Numerical study. European Journal of Mechanics - A/Solids. 2003, Vol. 22/1, pp. 15-32. [64] FRÉCHARD, S. et. al. A new constitutive model for nitrogen austenitic stainless steel. In J. Phys. IV France. 2003, Vol. 110/9. [65] VAZ, M. et al. Modelling and Simulation of Machining Processes. Arch Comput Methods Eng. 2007, No. 14, pp. 173-204. [66] JOHNSON, G. R., COOK, W. H. Fracture characteristics of three metals subjected to various strains, strain rates, temperatures and pressures. Engineering Fracture Mechanics. 1985, Vol. 21/1, pp. 31-48.

POUŽITÉ ZDROJE

20

G1

Recommend Documents