Технология механической обработки корпусных деталей на базе распознавания типовых конструктивных форм

Министерство науки и высшего образования  
Российской Федерации 

Уральский федеральный университет 

имени первого Президента России Б. Н. Ельцина 

С. С. Кугаевский

ТЕХНОЛОГИЯ МЕХАНИЧЕСКОЙ 
ОБРАБОТКИ КОРПУСНЫХ ДЕТАЛЕЙ 
НА БАЗЕ РАСПОЗНАВАНИЯ ТИПОВЫХ 
КОНСТРУКТИВНЫХ ФОРМ

Уч е б н о е  п о со бие 

Рекомендовано методическим советом 
Уральского федерального университета 
для студентов вуза, обучающихся 
по направлению подготовки 

15.04.05 — Конструкторско-технологическое обеспечение 

машиностроительных производств 

Екатеринбург 
Издательство Уральского университета 
2021 

УДК 621.914(075.8) 
ББК 34.634я73 
          К88 

Р е ц е н з е нт ы :
завкафедрой «Технология машиностроения» Национального ядерного университета «МИФИ» В. В. Закураев;
директор ООО «Уральское Отделение АДЕМ» В. Н. Богомолов

К88

Кугаевский, С. С.
Технология механической обработки корпусных деталей 

на базе распознавания типовых конструктивных форм : учебное 
пособие / С. С. Кугаевский ; М-во науки и высшего образования 
РФ. — Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2021. — 120 с.

ISBN 978-5-7996-3334-9

В учебном пособии систематизированы технологические приемы и обоснова
ны методические рекомендации по их использованию применительно к обработке конструктивных элементов корпусных деталей (карман, плоскость, уступ, паз, 
окно, цилиндрическое отверстие) на станках с ЧПУ. Предложенные технологические алгоритмы принятия решений об автоматическом выборе режущего инструмента, назначении стратегии обработки могут быть использованы для модернизации программного обеспечения систем класса CAPP и CAM.

Библиогр.: 27 назв. Табл. 16. Рис. 84.

УДК 621.914(075.8) 
ББК 34.634я73 

ISBN 978-5-7996-3334-9
© Уральский федеральный
университет, 2021

Глава 1. Представление о технологическом процессе обработки детали на основе промежуточных состояний заготовки

ГЛАВА 1. ПРЕДСТАВЛЕНИЕ 
О ТЕХНОЛОГИЧЕСКОМ ПРОЦЕССЕ 
ОБРАБОТКИ ДЕТАЛИ НА ОСНОВЕ 
ПРОМЕЖУТОЧНЫХ СОСТОЯНИЙ ЗАГОТОВКИ

О

сновным направлением конструкторского моделирования 
изделий машиностроения в последние годы является массовый переход от разработки электронных 2D-моделей чер
тежей деталей к проектированию объемных 3D-моделей. Наибольшее 
распространение получили твердотельные модели, которые охватывают более 75 % конструкций машиностроительных деталей. При технологическом проектировании также используются компьютерные модели деталей, но объединение поверхностей в группы производится 
по другим принципам, учитывающим особенности технологии изготовления.
В работе [1] введено понятие модуля поверхностей (МП), под которым понимается сочетание поверхностей, предназначенных выполнять соответствующую служебную функцию детали и придавать 
детали конструктивную форму, обусловленную требованиями эксплуатации и изготовления. Если рассматривать служебное назначение поверхностей детали, то сочетания этих поверхностей можно объединить в модули поверхностей: базирующие (МПБ), рабочие 
(МПР), связующие (МПС). Деталь, в которую модули поверхностей 
включены как структурные элементы, может рассматриваться как 

Технология механической обработки корпусных деталей на базе распознавания типовых конструктивных форм

сложная техническая система, для которой применимы методы системного анализа. Такой подход весьма полезен при конструкторском 
проектировании, но выделенные модули поверхностей не могут быть 
использованы в качестве структурных элементов технологического  
процесса.

1.1. Структура технологического процесса

Технологический процесс изготовления детали как объект проек
тирования также можно рассматривать в виде сложной технической 
системы. Многое зависит от того, что выбрать в качестве элемента системы. В работе [2] технологический процесс рассмотрен как сложная 
техническая система S, для которой справедливо выражение 

 
S
E TS F H
=  (
)
,
,
,
,  
(1.1) 

где E — элементы системы; TS — структура системы; F — поведение 
системы; H — окружающая среда.

Структура TS характеризует упорядоченность системы. В работе [3] дается определение структуры как совокупности устойчивых 
связей между частями целостного объекта. Технологический процесс как объект проектирования имеет многоуровневую структуру. 
На рис. 1.1 представлена структурная схема технологического процесса механической обработки детали.

Элементы системы — технологические переходы (например: точить, 

сверлить, фрезеровать и т. д.) — характеризуются своими парамет- 
рами Yi. Элементы связаны между собой отношениями следования. 
Например: черновые операции предшествуют чистовым, базовые поверхности обычно обрабатываются раньше, чем рабочие и т. д.

Системы обеспечения инструментом, системы материально-технического обеспечения производства, технологической подготовки, 
оперативного планирования и регулирования хода производства могут рассматриваться в качестве внешней среды Н.
Поведение системы F определяет функцию системы, которая обе
спечивает перевод поверхностей заготовки из одного промежуточного состояния в другое. При этом промежуточное состояние заготовки 
будет изменяться после каждого технологического перехода.

Глава 1. Представление о технологическом процессе обработки детали на основе промежуточных состояний заготовки

Рис. 1.1. Структура технологического процесса 

Рассмотрим в качестве примера какую-нибудь абстрактную опера
цию, состоящую из отдельных переходов р1, р2, р3, p4. Моделью этой 
операции (подсистемы) будет граф, представленный на рис. 1.2.

P1
P2
P3
P4

Рис. 1.2. Граф последовательности выполнения переходов 

Нетрудно заметить, что техническая система, характеризующая кон
структивное содержание детали, и техническая система, описывающая 

Технология механической обработки корпусных деталей на базе распознавания типовых конструктивных форм

процесс обработки, — это не одно и то же, т. к. в первом случае элементом является материальный объект, а во втором — действие, процесс. Иное дело, если в качестве элемента структуры технологической 
системы взять промежуточное состояние заготовки.

1.2. Структура детали на основе промежуточных состояний 
заготовки

Остановимся на промежуточном состоянии заготовки как на элементе сложной технической системы. Можно классифицировать этот 
элемент как 3D-модель заготовки, размеры которой ограничены временными поверхностями, изменяющимися после каждого перехода 
в направлении от исходной заготовки к готовой детали. В результате 
каждого перехода создается новый конструктивно-технологический 
элемент (feature), который изменяет предыдущее состояние заготовки в сторону уменьшения материала.

Конструктивно-технологический элемент (КТЭ), или feature, име
ет скорее технологическое, чем конструкторское происхождение, т. к. 
соответствует содержанию технологического перехода в виде состава 
поверхностей, обрабатываемых на этом переходе. Этот состав поверхностей не связан со служебными функциями детали, как конструкторский модуль поверхностей, а отражает форму инструмента и технологический характер перехода. Если построить 3D-модель режущей кромки 
как образующую поверхность и использовать пространственную линию траектории как направляющую кривую, мы получим 3D-модель 
формы КТЭ. Пользуясь терминологией 3D-моделирования, происходит булевская операция вычитания из модели заготовки лишнего материала. Таким образом, граф промежуточных состояний детали можно было бы представить следующим образом (рис. 1.3).

Рис. 1.3. Линейный граф промежуточных состояний детали  

с учетом вычитания КТЭ из модели обрабатываемой заготовки 

Глава 1. Представление о технологическом процессе обработки детали на основе промежуточных состояний заготовки

На рисунке под fi понимается припуск, снимаемый на данном технологическом переходе Pi, взятый в виде самостоятельного 3D-объекта 
(feature). Техническая система, имеющая в качестве структурного элемента промежуточное состояние C, будет иметь вид 

 
S
C TS
F H
c
c
c
=  (
)
,
,
,
,  
(1.2) 

где С — элементы системы; TSc — структура системы; Fc — поведение 
системы; H — окружающая среда.

Система имеет многоуровневую структуру, наиболее мелкими эле
ментами которой на нижнем уровне являются конструктивно-технологические элементы (feature).

Конструктивно-технологический элемент (feature) — это комплект 

поверхностей, обрабатываемых на данном технологическом переходе, 
который имеет временные размеры, характеризующие текущее состояние заготовки. В подавляющем большинстве случаев это и есть снимаемый припуск, взятый в виде самостоятельного 3D-объекта.

Поведение системы Fc, или функция, для которой образована си
стема, обеспечивает перевод обрабатываемой заготовки из исходного 
состояния в состояние готовой детали. При этом промежуточное состояние заготовки будет изменяться после каждого технологического перехода. В качестве внешней среды Н для такой системы можно 
рассматривать различные погрешности, которые влияют на достижение заданных параметров КТЭ. Структура системы, имеющей в качестве элементов текущие наборы поверхностей заготовки, показана на рис. 1.4.

Промежуточное состояние заготовки как элемент системы харак
теризуется текущими размерами поверхностей и физическими свойствами (твердость, шероховатость, покрытие и т. д.). Технологический 
процесс не может быть бесконечен по времени. Размерные характеристики заготовки изменяются с каждым технологическим переходом 
и ограничены наличием припуска на обработку. Физические свойства 
заготовки изменяются в результате выполнения специальных операций (термическая, гальваническая и т. д.), вплоть до достижения заготовкой требуемых чертежом свойств.
Состояние КТЭ задается набором параметров, описывающих фор
му, размеры и физико-механические свойства поверхностей, а также 
размерными связями между обрабатываемой и базовыми поверхностями. Примеры различных КТЭ приведены в работе [4].

Технология механической обработки корпусных деталей на базе распознавания типовых конструктивных форм

Рис. 1.4. Структура технической системы  
промежуточных состояний 

Важно отметить, что понятие КТЭ и понятие МП не являются 

эквивалентными, хотя оба определяются комплектами поверхностей. В случае готовой детали КТЭ может совпадать с поверхностью 
или модулем поверхностей конструкторской 3D-модели. Взаимо- 
связь конструкторских и технологических поверхностей показана  
на рис. 1.5.

Необходимость рассмотрения аналитической среды проектирования вызвана тем, что часть поверхностей, имеющих повышенные 
требования к точности и шероховатости, обрабатываются за несколько стадий (черновая, получистовая, чистовая). Для выполнения этих 
стадий вводится дополнительный припуск и, следовательно, новый 
технологический переход. Таким образом, под производной поверхностью понимается поверхность, образованная наложением дополнительного припуска на конструкторскую поверхность с целью обеспечения заданной точности или шероховатости. Примером производных 
поверхностей служат поверхности, образованные рассверливанием 
и зенкерованием круглых отверстий, диаметр которых задан по 7-му 
квалитету точности. 

Глава 1. Представление о технологическом процессе обработки детали на основе промежуточных состояний заготовки

Рис. 1.5. Взаимосвязь конструкторских  

и технологических поверхностей 

Кроме того, при группировании поверхностей в аналитической среде проектирования уточняются или пересчитываются размерные связи между поверхностями. Эти связи хранят наследственность координатного расположения конструкторских модулей поверхностей (МП) 
и переносятся в технологические эскизы после проведения размерного анализа.

1.3. Применение станков с ЧПУ

Современный уровень машиностроительного производства харак
теризуется широким применением станков с ЧПУ. Наибольшей эффективности можно достичь благодаря высокой концентрации технологических операций на одном рабочем месте за один установ детали. 

Технология механической обработки корпусных деталей на базе распознавания типовых конструктивных форм

Для этого приобретаются дорогие многофункциональные станки, имеющие четыре и более управляющих оси. Стоимость одного станко- 
часа такого оборудования превышает 1000 рублей. Это обстоятельство 
демонстрирует насущную необходимость в повышении качества технологической подготовки производства. Качество технологической подготовки можно обеспечить за счет компьютерного 3D-моделирования 
управляющих программ в CAM-системах с учетом конструктивных 
особенностей детали.

В распоряжении технологов в настоящее время появились новые 

средства проектирования.

Во-первых, это возможность трехмерного представления конструк
ции детали. Такое представление подразумевает не только моделирование геометрии объектов в объеме, но и возможность моделирования технологии их изготовления.

Во-вторых, модульное представление о конструкции детали, осно
ванное на принципах поэлементного моделирования (feature-based 
modeling). Конструктивные элементы (features) могут быть автоматически распознаны на основании 3D-модели детали. В результате технолог имеет возможность работать с уже скомпонованными КТЭ (отверстиями, карманами, плоскостями, стенками и т. д.). При этом при 
подготовке к выполнению очередной операции или перехода можно 
применить модель текущего состояния заготовки с учетом уже обработанных КТЭ.

В-третьих, современный уровень базы знаний может включать отработанные алгоритмы принятия решения обработки распознанных 
КТЭ, в том числе выбор инструмента и назначение режимов обра- 
ботки.

В-четвертых, в распоряжении технолога, использующего CAM
систему, имеется информация о комплекте режущего инструмента 
и установочной оснастке, находящихся в данный момент на данном 
рабочем месте.
Перечисленные возможности подчеркивают своевременность 

и актуальность предлагаемых исследований. В результате внедрения 
предлагаемых алгоритмов качественно повышается уровень технологической подготовки управляющих программ для станков с ЧПУ 
и обеспечивается повышение эффективности применения этих  
станков.