Дискретное твердотельное моделирование стандартных спиральных сверл
Автор: Щурова Екатерина Игоревна
Рубрика: Численные методы моделирования
Статья в выпуске: 2 т.20, 2020 года.
Бесплатный доступ
Для оперативного прогнозирования в службах технологической подготовки производства отклонений расположения осей отверстий, получаемых сверлением, необходимо рассчитывать деформации сверл от сил резания и закрепления в момент засверливания. Наиболее распространенным методом расчета деформаций сверл является метод конечных элементов, который отдельно или совместно с SPH-методом расчета процесса резания заготовок позволяет получить наиболее точные оценки увода сверл. В связи с этим возникает необходимость оперативного получения сеток конечных элементов, точно соответствующих геометрии инструментов для сверления. Ранее описанные в литературе аналитические геометрические модели либо аппроксимируются сплайнами, либо их решения основаны на итерационных подходах. В статье предлагается точный расчет поверхностей и кромок стандартных спиральных сверл на основе алгебры множеств и воксельного моделирования. Приводятся зависимости для описания главных задних поверхностей, полученных при заточке по плоскости, цилиндрической, конической (два типа заточки) и винтовой поверхностям, что, с учетом ранее опубликованных автором зависимостей для винтовых стружечных канавок, спинок и ленточек, позволяет получить геометрические модели практически всех стандартных спиральных сверл. Дальнейшее автоматическое преобразование рассчитанных вокселей в конечные элементы позволяет выполнить необходимые расчеты деформаций сверл, а вслед за этим оценить и положение получаемых отверстий деталей. Полученные зависимости были использованы для создания компьютерных программ, на базе чего были рассчитаны различные виды сверл: со всеми указанными выше типами задних поверхностей, с одной и двумя ленточками, с различными подточками ленточек. Таким образом, была доказана универсальность данной модели стандартных сверл и ее достаточность для получения конечно-элементных сеток.
Спиральное сверло, деформация сверла, увод сверла, 3d-моделирование, воксельная модель, конечно-элементная модель
Короткий адрес: https://sciup.org/147233480
IDR: 147233480 | УДК: 621.95.02 | DOI: 10.14529/engin200207
Discrete solid modeling of the standard twist-drill
Services of technological process planning need to forecast axis deviations of the holes obtained by drilling operationally. For this purpose, it is necessary to calculate drill bending caused by cutting and fixing forces during stating of drilling. The finite element method (FEM) is the most widespread method for calculating drill bending. FEM taken separately or in conjunction with the SPH method used for simulation the workpiece machining process provides the most accurate estimates of drill walking. In this regard, there is a need to generate finite element meshes that accurately correspond to the geometry of drilling tools. The analytical geometric models of cutting tools previously described in the publications either use spline approximation, or model solutions are based on iterative approaches. The presented paper proposes an accurate calculation of the surfaces and edges of standard twist drills based on algebra of sets and voxel modeling. The paper presents mathematical relations for describing major flanks obtained during tool grinding in the form of flat surface, cylindrical, conical (two types of sharpening) and screw surfaces. These relations in combination with the relations for helical chip grooves, tooth backs and lands of margin early published by the author make it possible to develop geometric models of almost all standard twist drills. Further automatic conversion of the calculated voxels into finite elements provides an opportunity to perform the necessary calculations of drill bending and to evaluate the location of the machined holes of the parts. The obtained relations have been used to develop computer programs for modeling of various types of drills, including drills with all the types of major flanks indicated above, with one and two lands of margin, with different types of lands of margin sharpening. Thus, the universality of the presented model of standard drills and its sufficiency for finite element meshes generation has been proved.
Список литературы Дискретное твердотельное моделирование стандартных спиральных сверл
- Vila C., Abellán-Nebot J.V., Albiñana J.C., Hernández G. An approach to sustainable product lifecycle management [Green PLM. Procedia Engineering]. 2015, vol. 132, pp. 585–592. DOI: 10.1016/j.proeng.2015.12.608.
- Xu X. Integrating advanced computer-aided design, manufacturing, and numerical control: principles and implementations [IGI Global]. – New York: 2009. – 424 p.
- Astakhov V. Geometry of single-point turning tools and drills: [Fundamentals and practical ap-plications]. London: Springer. 2010, 584 p.
- Radzevich S.P. Generation of surfaces. [Kinematic geometry of surface machining USA], Boca Raton: CRC Press. 2014, 724 p.
- Sambhav K. Tandon P., Dhande S.G. Geometric modeling and validation of twist drills with a generic point profile // Applied Mathematical Modelling. 2012, vol. 36, pp. 2384–2403. DOI: https://doi.org/10.1016/j.apm.2011.08.034.
- Sambhav K., Dhande S.G., Tandon P. CAD based mechanistic modeling of forces for generic drill point geometry [Computer-Aided Design and Applications]. 2010, vol. 7(6), pp. 809–819. DOI: 10.3722/cadaps.2010.809-819.
- Ashok1 R., Kamaraj K. Geometric design of a generic form milling cutter [ International Journal of Advancement in Engineering Technology, Management & Applied Science]. 2015, vol. 2, Iss. 6, pp. 27–35.
- Oancea N., Popa I., Teodor V.G., Oancea V.G. Tool profiling for generation of discrete helical surfaces[Int J Adv Manuf Technol]. 2010, vol. 50, pp. 37–46. DOI: 10.1007/s00170-009-2492-y.
- Baroiu N., Berbinschi S., Teodor V., Oancea N. Comparative study of drill's flank geometry de-veloped with the Catia software [The Annals of “Dunarea de Jos” University of Galati, Fascicle V, Technologies in machine building]. 2012. – Pp. 27–32.
- Nikolcheva G. Likov I., Stoyanov K. Computer modelling of twist drill shapened at conical Sur-face [Scientific proceedings viii international congress “Machines, technologies, materials”]. 2011, pp. 78–81.
- Heisel U., Zaloga W., Krivoruchko D., Storchak M., Goloborodko L. Modelling of orthogonal cutting processes with the method of smoothed particle hydrodynamics [ Production Engineering. Res. Devel]. 2013, vol. 7, pp. 639–645. DOI: 10.1007/s11740-013-0484-0.
- Kase K., Teshima Y., Usami S., Ohmori H., Teodosiu C., Makinouchi A. Volume CAD [Volume Graphics. ACM International Conference Proceeding Series]. 2003, vol. 45, pp. 145–150. DOI: 10.1145/827051.827073.
- Jerard R.B., Angleton J.M., Drysdale R.L., Su P. The use of surface points sets for generation, simulation, verification and automatic correction of NC machining programs [Proceedings of NSF De-sign and Manufacturing Systems Conference]. 1990. Pp. 143–150.
- Direct digital subtractive manufacturing of a functional assembly using voxel-based models / R. Lynn, M. Dinar, N. Huang et al // Journal of Manufacturing Science and Engineering. – 2018. – Vol. 140. Pp. 1–14. DOI: 10.1115/1.4037631.
- Wu J., Yu G., Wang D., Zhanga Y., Charlie C. L. Wang Voxel-based interactive haptic simula-tion of dental drilling [Proceedings of the ASME 2009 International Design Engineering Technical Con-ferences & Computers and Information in Engineering Conference IDETC/CIE]. 2009. Pp. 1–10. DOI:10.1115/DETC2009-86661.
- Jovanovic J.D., Spaic O. Geometric modeling of twist drills [16th International Research/Expert Conference “Trends in the Development of Machinery and Associated Technology”]. Dubai: UAE. 2012. Pp. 115–118.
- Abele E., Fujara M. Simulation-based twist drill design and geometry optimization [CIRP An-nals – Manufacturing Technology]. 2010. vol. 59 (1). – Pp. 145–150. DOI: 10.1016/j.cirp.2010.03.063.
- Ren K., Ni J. Analyses of drill flute and cutting angles [The International Journal of Advanced Manufacturing Technology]. 1999. Vol. 15. Pp. 546–553. DOI: 10.1007/s001700050100.
- Hsieh, J-F. Lin P.D. Drill point geometry of multi-flute drills [The International Journal of Ad-vanced Manufacturing Technology]. 2005 . Vol. 26. Pp. 466–476. DOI: 10.1007/s00170-003-2027-x.
- Shchurova E.I. Voxel and Finite Element Modeling of Twist Drill [Lecture Notes in Mechanical Engineering]. 2019. Vol. II. Pp. 181–190. DOI: 10.1007/978-3-030-22063-1_20.
