Конечно-элементное моделирование нарезания резьбы метчиком с целью прогнозирования ее приведенного среднего диаметра
Автор: Щуров Игорь Алексеевич, Болдырев Игорь Станиславович
Рубрика: Численные методы моделирования
Статья в выпуске: 1 т.23, 2023 года.
Бесплатный доступ
Разработка операций нарезания высокоточной резьбы метчиками включает в себя прогнозирование такой точности. Чаще всего для этого приходится проводить дорогостоящие натурные эксперименты. Получившие в последнее время широкое применение численные методы расчета позволяют заменить эти эксперименты компьютерным моделированием. Однако данное моделирование сейчас связано преимущественно с определением напряжений и прочности инструментов, для чего моделируются лишь сам режущий инструмент и фрагмент заготовки. Такой подход оказывается неприемлемым для прогнозирования точности обработки, поскольку погрешности размеров и формы резьбы существенно зависят от фактического движения инструмента, которое, в свою очередь, зависит от условий его закрепления в шпинделе станка. В связи с этим встала задача моделирования не только указанных элементов технологической системы, но и вспомогательного инструмента. Кроме того, после расчета поверхности резьбы детали необходимо рассчитать и ее точностные характеристики. Именно эти вопросы рассмотрены в данной статье: показаны результаты конечно-элементного моделирования нарезания резьбы метчиком, закрепленным в резьбонарезном патроне плавающе-качающегося типа. Полученные графики осевой силы и крутящего момента соответствуют ожидаемым кривым как по ее форме, так и по числовым значениям. Полученное облако точек резьбы позволило далее рассчитать ее приведенный средний диаметр, который оказался сопоставимым с соответствующим диаметром метчика и аналогичным размером резьбы из государственного стандарта. Таким образом, приведенные расчеты показывают свою реалистичность и возможность применения в практике проектирования резьбонарезных операций.
Резьбонарезание, качество резьбы, приведенный средний диаметр резьбы, метод конечных элементов, моделирование резьбонарезания
Короткий адрес: https://sciup.org/147240356
IDR: 147240356 | УДК: 621.9-1/-9 | DOI: 10.14529/engin230107
Fe-modeling of tapping for calculating the virtual pitch thread diameter
The development of high-precision tapping operations involves predicting such accuracy. Very often, this requires expensive experiments. Numerical calculation methods, which have recently received wide application, make it possible to replace these experiments with computer simulations. However, this modeling is now mainly associated with determining the stresses and strength of tools, for which only the cutting tool itself and a fragment of the workpiece are modeled. This approach turns out to be unacceptable for predicting the machining accuracy, since the errors in the thread size and shape significantly depend on the actual movement of the tool, which, in turn, depends on the conditions of its fixing in the machine spindle. In this regard, the task concerns with not only the specified above technological system elements, but also an clamping tool. In addition, after calculating the thread surface of the part, it is necessary to calculate accuracy characteristics of this thread. It is these issues that are considered in this article: the results of finite element modeling of threading with a tap fixed in a tapping chuck of a floating-oscillating type are shown. The obtained graphs of axial force and torque correspond to the expected curves, both in its shape and in numerical values. The obtained thread point cloud made it possible to further calculate its virtual pith thread diameter, which turned out to be comparable with the corresponding tap diameter and the same thread size from the state standard. Thus, the above calculations show their realism and the possibility of application in the practice of designing thread-cutting operations.
Список литературы Конечно-элементное моделирование нарезания резьбы метчиком с целью прогнозирования ее приведенного среднего диаметра
- Fromentin, G. Modeling of interferences during thread milling operations / G. Fromentin, G. Poulachon // Int. J. Adv. Manuf. Technol. – 2010. – Vol. 49. – P. 41–51. DOI: 10.1007/s00170-009-2372-5.
- Lee, W.S. Simulation-aided design of thread milling cutter / W.S. Lee, A. Nestler // Procedia CIRP. – 2012. – Vol. 1. – P. 120–125. DOI: 10.1016/j.procir.2012.04.019.
- Wan, M. Mechanics and dynamic of thread milling process / M. Wan, Y. Altintas // Int. J. Mach. Tools Manuf. – 2014. – Vol. 87. – P. 16–26. DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2014.07.006.
- 4 Khoshdarregi, M.R. Generalized modeling of chip geometry and cutting forces in multi-point thread turning / M.R. Khoshdarregi, Y. Altintas // Int. J. Mach. Tools Manuf. – 2015. – Vol. 98. – P. 21–32. DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2015.08.005.
- Jun, M.B.G. Modeling of the thread milling operation in a combined thread/drilling operation: thrilling / M.B.G. Jun, A.C. Araujo // Trans. ASME J. Manuf. Sci. Eng. – 2010. – Vol. 132. – 014505. DOI: 10.1115/1.4000944.
- Araujo, A.C. Analytical and experimental investigations on thread milling forces in titanium al-loy / A.C. Araujo, G. Fromentin, G. Poulachon // Int. J. Mach. Tools Manuf. – 2013. – Vol. 67. – P. 28–34. DOI: 10.1016/j.ijmachtools.2012.12.005.
- Armarego, E. Predictive Cutting Models for the Forces and Torque in Machine Tapping with Straight Flute Taps / E. Armarego, M.N. Chen // CIRP Annals – Manufacturing Technology. – 2002. – Vol. 51. – No. 1. – P. 75–78. DOI: 10.1016/S0007-8506(07)61469-3.
- Матвеев, В.В. Нарезание точных резьб / В.В. Матвеев. –М.: Машиностроение.– 1978. – 88 с.
- Щуров, И.А. Расчет точности обработки и параметров инструментов на основе дискретного твердотельного моделирования: монография / И.А. Щуров. – Челябинск: Изд-во ЮУрГУ. – 2004. – 320 с.
- Czarnecki, H. FEM simulation of material strain in corner of forming tap during cold thread shaping / H. Czarnecki, K. Tubielewicz, A. Zaborski et al. // Tribologia.–2019.– Vol. 288.– P. 5–16. DOI: 10.5604/01.3001.0013.7759.
- Demirel, T. Finite element simulation of stresses in cutting tools during tapping / T. Demirel, S. Yagmur, Y. Kayir et al. // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part C: Journal of Mechanical Engineering Science. – 2022. DOI: 10.1177/09544062221126643.
- Faur, A.S. Research on the influence of a new tap drill geometry on C45, 42CrMo4 and X5CrNi8 steel processing / A.S. Faur, M.S. Popa, B.C. Luca et al. // MATEC Web of Conferences. – 2018. – Vol. 178. – 01002. DOI: 10.1051/matecconf/201817801002.
- He, Q. Research and Optimization of Process Parameters for Internal Thread Forming Based on Numerical Simulation and Experimental Analysis / Q. He, Y. Jiang, X. Jing // Materials. – 2022. – Vol. 15. – 3160. DOI: 10.3390/ma15093160.
- Hou, H-L. Numerical Simulation and Process Optimization of Internal Thread Cold Extrusion Process / H-L. Hou, G-P. Zhang, C. Xin et al. // Materials. – 2020. – Vol.13. – 3960. DOI: 10.3390/ma13183960.
- Oezkaya, E. An intuitive software system for the modelling of three-dimensional FEM tapping simulations / E. Oezkaya, T. Haus, D. Biermann // World Journal of Engineering Research and Tech-nology. – 2019. – Vol. 5. – Iss. 3. – P. 429–454.
- Polvorosa, R. Cutting edge control by monitoring the tapping torque of new and resharpened tapping tools in Inconel 718 / R. Polvorosa, L.N. López de Lacalle1, A.J. Sánchez Egea et al. // Int. J. Adv. Manuf. Technol. – 2020. – Vol. 106. – P. 3799–3808. DOI: 10.1007/s00170-019-04914.
- Wu, M-C. Optimization of Tool Geometric Parameters For a Small Fluteless Forming Tap (FFT) / M-C. Wu, W-R. Jian, L-S- Hsu et al. // Int. J. Adv. Manuf. Technol. – 2022. – Vol. 120. – P. 3437–3449. DOI: 10.1007/s00170-022-08955-1.
- Tang, Y.L. CAD simulation study on the principle of tapping with modified-tooth tap / Y.L. Tang, R. Hang. H. Wang // WASE International Conference on Information Engineering. – 2010. – P. 224–228. DOI: 10.1109/ICIE.2010.231.
- Ren, J. Mathematical model for tapping simulation to predict Radial Pitch Diameter Dierence of threads / J. Ren, X. Yan // Int. J. Adv. Manuf. Technol. – 2021. – Under review. DOI: 10.21203/rs.3.rs-192937/v1.
- Shchurov, I.A. Improved Axis Determination Method for Calculation of Virtual Pitch Thread Diameter Using a Point Cloud from CMM / I.A. Shchurov // Lecture Notes in Mechanical Engineering.– 2019. – P. 1621–1629. DOI: 10.1007/978-3-319-95630-5_173.
