автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Формирование режущей части фасонных борфрез с применением шлифовально-заточных станков с ЧПУ

На правах рукописи

ИСТОЦКИЙ Владислав Владимирович

ФОРМИРОВАНИЕ РЕЖУЩЕЙ ЧАСТИ ФАСОННЫХ БОРФРЕЗ С ПРИМЕНЕНИЕМ ШЛИФОВАЛЬНО-ЗАТОЧНЫХ СТАНКОВ С ЧПУ

Специальность 05.03 01 - Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула 2005

Работа выполнена на кафедре «Инструментальные и метрологические системы» Тульского государственного университета

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

Протасьев Виктор Борисович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

Шадский Геннадий Викторович

кандидат технических наук Масленников Владимир Аркадьевич

Ведущее предприятие - ФГУП ГНПП "Сплав", г. Тула

Защита состоится «¿4» октября 2005 года в «^>Гчасов на заседании диссертационного Совета Д 212.271.01 Тульского государственного университета по адресу: 300600, г. Тула, пр. Ленина, 90 ТулГУ ауд.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Тульского государственного университета.

Автореферат разослан » сентября 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного Сов'

А. Б. Орлов

'1VS99

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Борфрезы, которые согласно данным проф. И.И. Семенченко, являются прародителями современных фрез, широко используются в современном машиностроении на операциях механизированной зачистки различных поверхностей.

В конце 20 века в производстве твердосплавных борфрез произошла переориентация с т. н. «чёрных» борфрез, зубья которых изготавливались быстрорежущими фрезами малых (до 10 мм) диаметров с использованием специальных приспособлений и станков на пластифицированных заготовках, на «светлые», у которых зубья шлифуются «по целому» на заготовках, имеющих заданную твердость и форму.

В настоящее время оборудованием для изготовления борфрез являются заточные полуавтоматы с ЧПУ, имеющие от 4 до 5 управляемых координат. Программный комплекс, необходимый для обслуживания такого оборудования, при изготовлении фасонных борфрез в России отсутствует.

В качестве инструментов при формировании режущей части твердосплавных фасонных борфрез применяются алмазные круги, диаметр которых изменяется от 60 мм до 150 мм.

Длительное время (с 1980 г. по 1993 г.) в России не выполнялись исследования, связанные с изготовлением борфрез, а зарубежные технологии и методы конструирования носят характер ноу-хау.

Государственные стандарты на борфрезы (ГОСТ 18945 - 73, ГОСТ 22134-76, ГОСТ 22158-76) до настоящего времени не корректировались, и это сделало практически невозможным их использование, а также приемку изготавливаемой продукции

Винтовые поверхности зубьев борфрез относятся к аксиально - радиальным поверхностям переменного шага и для их изготовления необходимо по классификации проф. С. И. Лашнева решить т. н. кинематическую задачу. Ее суть в том, что, базируясь на чертеж борфрезы, необходимо определить профиль шлифовального круга и траекторию его перемещения, обеспечивающую изготовление инструмента с заданны-

ми параметрами.

I • ьдц*

Эта задача применительно к фасонным борфрезам не решена. Она осложняется тем, что современные борфрезы используют не только одинаковые (длинные) зубья, но и зубья, разделённые на группы, которые обеспечивают эффективное резание в центральной зоне инструмента, у его вершины.

Не менее значимыми оказались задача технологического обеспечения формирования зубьев и разработка программного продукта для подготовки управляющих программ (УП) к станкам с ЧПУ.

Таким образом, задача формирования режущей части фасонных борфрез с использованием шлифовально-заточных станков с ЧПУ является актуальной для инструментального производства России.

Цель работы.

Совершенствование процесса проектирования и изготовления фасонных борфрез с применением шлифовально-заточных станков с ЧПУ.

Поставленная цель требует решения следующих задач:

- обобщения форм производящих поверхностей борфрез с целью создания единой математической модели их проектирования и изготовления с помощью дисковых шлифовальных кругов;

- решения кинематической задачи формирования длинных и групповых зубьев на режущей части борфрез и разработки программного продукта для подготовки УП;

- исследования режимов эксплуатации заточных станков с ЧПУ с целью рационального назначения контурных подач, определения рациональных закономерностей изменения основных и зависимых параметров, применения СОЖ, способов правки шлифовальных кругов и способов шлифования;

- построения 3D моделей борфрез и их каркасов с целью проверки правильности конструкций инструментов и управляющих программ.

Методы исследования.

В диссертации использовались положения дифференциальной геометрии, векторного анализа, теории изготовления винтовых поверхностей. Численное и графическое моделирование выполнялось с использованием лицензионного программного комплекса Pro/Engineer фирмы «Parametric Technology Company», сертификат на использование которого имеет автор данной работы.

Автор защищает:

- обобщённую математическую модель режущей части борфре-зы, обеспечивающую получение заданных передних и задних углов и учитывающую кинематику шлифовально-заточных станков с ЧПУ;

- методику комплексного проектирования и изготовления фасонных борфрез с обычными и групповыми зубьями на заточных станках с ЧПУ;

- систему коррекции контурных подач в зависимости от условий съема припуска при шлифовании зубьев «по целому»;

- методологию использования 3D моделей борфрез и их каркасов, построенные в системе Pro/Engineer для проверки правильности конструкции борфрез и управляющих программ для их изготовления.

Научная новизна работы.

Заключается в разработке методологии комплексного проектирования и изготовления фасонных борфрез с обычными и "групповыми" зубьями на заточных станках с ЧПУ, учитывающей:

- условия профилирования винтовых поверхностей аксиально -радиального переменного шага;

- закономерности изменения основных и зависимых параметров, характеризующих конструкцию режущей части борфрез.

- кинематические особенности и технологические ограничения заточных полуавтоматов.

Практическая ценность.

Заключается в разработке отечественного программно-методического комплекса по проектированию и изготовлению фасонных борфрез, адаптированного к заточным полуавтоматам с ЧПУ мод. В3-392ф4, ВЗ-452Ф4 производства Белоруссии.

Реализация работы.

Результаты данной работы внедрены на ОАО «Серпуховским инструментальный завод ТВИНТОС» и используются при производстве борфрез с обычными зубьями с 2002 г, а с "групповыми" зубьями с 2005 г.

Апробация работы.

Основные положения диссертационной работы докладывались и обсуждались на научно-технических конференциях профессорско-преподавательского состава ТулГУ в 2002 - 2005 г.г., а также на международной научно-технической конференции, посвященной памяти выдающихся учёных Коганова И.А. и Лашнева С.И. (Тула 2002 г) и международной юбилейной научно-технической конференции "Наука о резании материалов в современных условиях", посвященной 90-летию со дня рождения В.Ф. Боброва, (Тула, 9-11 февраля 2005 г), в семинаре "Современные высокопроизводительные металлообрабатывающие технологии и оборудование к ним" (г. Нижний Новгород, 21-22 июня 2005 г.).

Публикации.

Основное содержание работы изложено в 5 публикациях объемом 1.35 п.л. (авторских 1.08 пл.)

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из наименований и приложений. Работа содержит 11Ь стр. машинописного текста, ¿Г5~рисунков и таблиц.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, а также сформулирована цель, научные задачи и научная новизна.

В первой главе рассматривается вопрос аналитического определения необходимых параметров передних и задних поверхностей фасонных борфрез. В связи с этим рассматриваются основные характеристики винтовых линейчатых поверхностей и возможность их адаптации и использования в современных условиях развития компьютерных технологий при проектировании фасонных борфрез.

Исходя из этого разработаны основные положения ЗО моделирования, используемые при проектировании фасонных борфрез. Проанализированы основные формы производящих поверхностей фасонных борфрез и произведено их обобщение. Обобщающей производящей поверхностью принята поверхность борфрезы типа "факел".

В качестве основы ЗБ модели использованы параметры исходного сечения инструмента и взаимосвязанные с ним линейчатые передние и задние поверхности. Приведено математическое описание этих поверхностей.

При построении ЗБ модели путём пересечения производящей поверхности с винтовой вспомогательной линейчатой поверхностью имеющей шаг, заданный заказчиком инструмента, определялось положение режущей кромки. Используя её как направляющую, формировались передние и задние поверхности с заданными углами.

Линия пересечения этих поверхностей в "теле" борфрезы определяла положение линии впадины. На этой линии при решении кинематической задачи формируется массив точек касания заготовки и шлифовального круга.

ЗБ модель такой борфрезы с спроецированной на осевую плос-

Эта модель используется как начальный этап решения кинематической задачи, т.е. с её помощью определяется необходимая исходная информация.

Во второй главе решается т.н. кинематическая задача, особенностью которой является то, что форма инструмента второго порядка (шлифовального круга), необходимого для обработки винтовых передних и задних поверхностей задаётся априорно, а траектория его перемещения относительно обрабатываемой заготовки инструмента рассчитывается, и совместно с неравномерным вращением самой заготовки составляет основу для разработки управляющей программы, используемой современным станком с ЧПУ.

В качестве оборудования для изготовления фасонных борфрез выбран шлифовально-заточной станок мод. ВЭ-392Ф4 производства республики Беларусь.

Для выбранной модели оборудования выполнено распределение статуса параметров, используемых в профилировании, на свободные и зависимые.

Для разработки УП двумя методами (дифференциальным и с помощью векторного анализа) определены зависимости положения центра шлифовального круга по станочным координатам X, У, Ъ (рис. 2).

При этом угол скрещивания осей заготовки и шлифовального круга принят постоянным при обработке всей режущей части.

В результате получены следующие зависимости определяющие:

- положение центра шлифовального круга вдоль оси X в системе координат станка

X = 1- СохВ - а ■ БтВ + Яш ■ Я/'иД,; (1)

где С- исходная координата, отсчитываемая от исходного сечения вдоль оси борфрезы.

- положение центра шлифовального круга вдоль оси У в системе координат станка

Y -г-Со8<р + • Соз/30;

(2)

Шлифовальный круг с

Проекция 3 в

fe 1« \ I

■Sl

в»____ „

;

у >

Ч

Рис. 2. Расчётная схема для определения координат центра шлифовального круга.

- положение центра шлифовального круга вдоль оси Z в системе координат станка

Z =lSinB+aCosB; (3)

- угол скрещивания осей шлифовального круга и заготовки

D tg(oN ■ Cos ф + Sin в ■ Sin ср.

о =-------->

Cos0

(4)

- угол касания основной плоскости шлифовального круга с расчётной точкой стружечной канавки борфрезы „ „ -Соза-Бтв

<800 = „._„ I.- ' (5)

CosB ■ Сosв - Sing}- SinB ■ Sin0 - угол положения расчётной точки в торцовом сечении

Sincp = ;

(6)

где ащи - максимальное смещение расчётной точки в исходном сечении;

Гтах - максимальный радиус борфрезы.

- величина смещения расчётной точки в торцовом сечении (дополнительная координата)

а _ £шах ;

г

шах

- радиус дна стружечной канавки, полученный аппроксимацией массива точек касания

(0.5 В-КЩ1.

к 2 (0.5 V 7

где Б - максимальный диаметр борфрезы;

Ьк - максимальная глубина стружечной канавки;

Х1 - длина радиусной части борфрезы.

- длина радиусной части борфрезы

0.5 ¿>)2; (9)

где Я - радиус кривизны торцовой части борфрезы.

На данном этапе формируется тело борфрезы без учёта винтового движения заготовки.

В качестве кривой наиболее подходящей для формирования дна винтовых канавок борфрез выбрана так называемая локсодромическая кривая. Основным свойством этой кривой является то, что она все медианы у тел вращения любой формы пересекает под одним и тем же углом. В работе предлагается близкая к локсодромической кривой линия (рис. 3), которая пересекает медианы под постоянным углом В не в нормальной проекции, а в проекции, параллельной оси борфрезы. Такая кривая нами названа упрощённой локсодромической кривой, и она в наибольшей степени соответствует возможностям станка мод. ВЗ-392Ф4 и расчётной схеме, показанной на рис. 2.

1_тах

Исходное сечение А

Развёртки по г*

Рис. 3. Построение упрощённой локсодромической кривой.

Эта кривая в конечном итоге позволила определить зависимость для определения угла поворота заготовки в каждом кадре УП

180°

АА'=-

В - аг

Д/

•А/

(10)

п-г

где ДА -значение координаты поворота заготовки;

Да - приращение дополнительной координаты;

АС- приращение исходной координаты.

Зависимость (10) учитывает дополнительный угол подъёма винтовой линии, получаемой за счёт изменения координаты а.

Далее во второй главе рассматривается вариант изготовления фасонных борфрез с так называемыми групповыми зубьями.

Принцип использования группового зуба заключатся в том, что торцовая сферическая часть борфрезы разбивается на некоторое число секторов (групп), количество которых, как правило, колеблется в пределах от 3 до 5, в зависимости от габаритов самого инструмента. На границах этих групп формируются обыкновенные "длинные" зубья, сходящиеся к центру инструмента, а внутри групп, короткие зубья, имеющие различную длину стружечной канавки. Эти короткие зубья не сводятся к центру инструмента, а заканчиваются на различных участках его сферической части, однако точки их окончания принадлежат дну стружечной канавки длинного зуба группы. Это позволяет увеличить глубину стружечной канавки вблизи торца и как следствие стойкость инструмента.

При формировании групповых зубьев все линии дна канавок должны заканчиваться в канавке "длинного" зуба. Расчетная схема, позволяющая определить координаты точек схождения, показана на рис. 4, где в позициях а, б, в, г показано формирование "длинного" зуба и следующих за ним трех "коротких". На рис. 5 показан конечный результат расположения линий дна стружечных канавок.

Основными зависимостями для определения точек схождения "длинных" и "коротких" зубьев являются:

- радиус, на котором встречается стружечная канавка группового зуба и стружечная канавка длинного зуба, очерчивающая границы самой группы

N

где гс- максимальный радиус сферической части борфрезы; Ы- число групп борфрезы (3...5); к-поправочный коэффициент (0,07 < к < 0,08); т-поправочный коэффициент, равный 1 или 2. - величина смещения точки встречи в торцовом сечении

агр =-ггр-81п{}-т-<р)', (12)

где ф - угол положения расчётной точки в торцовом сечении; т - окружной шаг зубьев борфрезы; I- порядковый номер группового зуба.

Длинный зуб короткий зуб

Рис. 4. Образование групповых зубьев.

Результатом решения кинематической задачи профилирования фасонных борфрез стала разработка алгоритма и самого программного продукта для подготовки УП.

УП в виде текстового файла передаётся методами информационных технологий в память станка с ЧПУ для последующей реализации.

нарезке зубьев борфрез.

В этой же главе получены зависимости для решения кинематических задач при изготовлении борфрез на станках типа "Walter" и " Shnee-berger ", конструктивно отличающихся от станка мод. ВЗ-Э92Ф4.

Третья глава посвящена технологическому обеспечению процесса профилирования фасонного инструмента.

При отработке технологии изготовления фасонных борфрез решены следующие задачи:

- опытным путем выбрана марка охлаждающей жидкости, в качестве которой используется Mobilcut 321. Критерием выбора явилось исчезновение трещин возникавших ранее на передней поверхности зубьев; разработана программа для правки шлифовальных кругов с использованием алмазного ролика при изготовлении борфрез из быстрорежущих сталей;

- решены задачи по формированию на режущей части струж-коделительных канавок с использованием нескольких шлифовальных кругов.

Использование одного шлифовального круга для формирования зубьев и стружкоделительных канавок оказалось не рациональным ввиду снижения его стойкости и ограничений, накладываемых на его форму. При использовании двух шлифовальных кругов усложняется задача взаимосвязи исходного положения этих инструментов и начальных точек обработки. Эта задача решена с использованием расчётной схемы (рис. 6) в результате чего получены следующие формулы

Хп = 1а-(СозВг -Сол-5,); (13)

1п = /гаах БЩ +/а-(Л'иЛ2 -5шЛ,)+/0; (14)

Величина определяющая расстояние между режущими кромками шлифовальных кругов измеряется вне станка, при помощи микро-

Рис. 6. Схема обработки режущей части борфрез с использованием двух шлифовальных кругов.

Самой сложной задачей явилось устранение зарезов (рис. 7) возникающих на длинных зубьях инструмента в начальный период их формирования.

Эти зарезы наблюдались как на длинных зубьях обычных борфрез, так и при изготовлении инструментов с групповыми зубьями.

Причиной возникновения зарезов оказались избыточные углы поворота по координате А в начальных кадрах УП.

График изменения углов поворота при использовании зависимости (15) показан на рис. 8.

Для снижения этих углов зависимость (15) была заменена на

0 = de)

шах

где С- исходная координата, отсчитываемая от исходного сечения; /¡lux - расстояние от исходного сечения до торца борфрезы.

Рис. 7. Зарезы, образующиеся в торцовой части борфрез.

1 0.3

-Ц57

0203^ "а235

¿олв

0.105 0.115 "^123 0.14

-1Г681

0.1

0.2

0.4

0.5

0.6

Рис 8. Графики углов поворота заготовки. 1-зависимость (15); 2-зависимость (16).

В результате этого произошло снижение углов поворота до 4 раз. В итоге удалось изготовить борфрезы без зарезов на зубьях режущей части (рис. 9).

Рис. 9. Отсутствие зарезов в торцовой части борфрез.

Таким образом, можно сказать, что, решив кинематическую задачу профилирования фасонных борфрез, сформировав текст управляющей программы, и подготовив вместе с этим дополнительные файлы для проверки результатов расчёта в системе ЗО моделирования, полностью решена задача профилирования фасонных борфрез на многокоординатных шлифовально-заточных станках с ЧПУ.

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

1. Разработана обобщенная математическая модель режущей части борфрез и методология проектирования и изготовления фасонных борфрез с применением шлифовально-заточных станков с ЧПУ включающие:

- использование ЗБ моделей для построения режущей части борфрез и проверки правильности управляющей программы;

- решение кинематической задачи для всех типоразмеров и форм борфрез с использованием обобщающей производящей поверхности;

- технологию автоматизированной правки шлифовальных кругов;

- определение величин контурных подач для различных условий и величин припусков, снимаемых при формировании зубьев режущей части при шлифовании "по целому".

- формообразование инструментов с так называемыми "длинными" и групповыми зубьями;

- программный продукт для подготовки УП.

2. Проанализированы технологические возможности шлифовально-заточных станков с числовым программным управлением как в исполнении с разворотом стола относительно шлифовального круга, так и с разворотом шлифовального круга относительно стола. В результате установлен статус дополнительных, установочных и управляемых координат оборудования. Показано, что в качестве постоянной (установочной) координаты рационально использовать угол разворота стола относительно оси шлифовального круга.

Показано, что для формирования зубьев борфрез на шлифовально-заточных станках с разворотом стола относительно шлифовального круга наиболее подходит упрощённая локсодромическая кривая, обеспечивающая постоянный угол скрещивания между осями заготовки и шлифовального круга.

4. Решены основные задачи технологического обеспечения при изготовлении режущей части твердосплавных и быстрорежущих фасонных борфрез:

- получены математические зависимости для выполнения процесса правки кругов средствами СЧПУ и применён прогрессивный способ правки алмазными роликами;

- определены зависимости для определения величин контурных подач на различных участках профиля и определены поправочные коэффициенты, учитывающие технологические особенности различных зон обрабатываемых борфрез.

5. Определена функция, определяющая смещение центра шлифовального круга относительно осевого сечения обрабатываемой бор-фрезы, учитывающая особенности станков с разворотом стола относительно шлифовального круга.

6. Совокупность проведённых исследований позволяет формировать зубья всех форм фасонных борфрез изготавливаемых с помощью дисковых шлифовальных кругов упрощённой формы.

7. Разработанный программный продукт в течении 2003... 2005 г.г. эксплуатируется на Серпуховском инструментальном заводе (СИЗ "ТвИнТОс") при изготовлении борфрез с "длинными" зубьями и обеспечивает повышение их стойкости до 2.2 раз (акт внедрения прилагается). Стойкость инструментов составляет 90...95% в сравнении с зарубежными образцами. В 2005 г. произошло внедрение программ для изготовления борфрез всех форм с групповым расположением зубьев.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Протасьев В.Б., Истоцкий В.В. Программирование станка ВЗ-392Ф4 при изготовлении борфрез.// Технологические системы в машиностроении: Труды международной научно-технической конференции, посвящённой памяти выдающихся учёных Коганова И.А. и Лашнева С.И., Тула: ТулГУ, 2002г. с.231-236.

2. Истоцкий В.В. Принципы формирования групповых зубьев на борфрезах // Известия ТулГУ. Сер. Инструментальные и метрологические системы. Вып. 1. Труды Международной юбилейной научно-технической конференции " Наука о резании материалов в современных условиях", посвященной 90-летию со дня рождения В.Ф. Боброва, 9-11 февраля 2005 г. Часть 1. - Тула: Изд-во ТулГУ, 2005. с. 23-26.

2С

Р 16 4 05

РНБ Русский фонд

2006-4 14399

3. Протасьев В.Б., Истоцкий В борфрез с косыми зубьями // Труды М конференции, посвященной памяти вь Лашнева С.И. Тула: ТулГУ, 2002 г. с.2

4. Протасьев В.Б., Илюхин С.Р Сенешков А.Е. Разработка техническо фильные инструменты, изготавливаем

Известия ТулГУ. Сер. Машиностроение. Вып. 2. Инструментальные системы - прошлое, настоящее, будущее: Труды международной научно-технической конференции, Тула: ТулГУ, 2003г. с.233-240.

5. Протасьев В.Б., Истоцкий В.В. Изготовление фасонных сфероконических фрез на станке мод. ВЭ-392Ф4. IV Международная научно-техническая конференция "Фундаментальные и прикладные технологические проблемы в машиностроении", 25-27 сентября 2003 г. - Орёл. с. 201205.

Изд лии ЛР № 020300 от 12 02 97 Подписано в печать $.0 9-05.

Формат бумаги 60x84 1/16 Уел печ Л 1,1 Уч-изд Л 1,0 Тираж )СО экз Заказ /95,

Тульский государственный университет 300600, г Тула, просп Ленина, 92 Отпечатано в Издательстве Тульскою государственного университета 300600, г Тула, ул Болдина, 151

Ввсдсннс

Глава 1. Компьютерное конструирование режущей части борфрез и ^ производящей поверхности

1.1 Параметры винтовой линейчатой поверхности

1.2 Использование винтовых линейчатых поверхностей при проекта- р ровании инструмента в системах ЗО моделирования

1.2.1 Роль исходного сечения при ЗО моделировании борфрез

1.2.2 Обобщение профилей производящей поверхности борфрез

1.3 Математическое описание борфрезы типа "факел"

1.4 ЗЭ моделирование борфрезы типа "факел" 23 Выводы

Глава 2. Решение кинематической задачи профилирования борфрез

2.2.1 Распределение статуса параметров станка мод. ВЭ-392Ф

2.1 Система координат шлифовально-заточного станка мод. ВЭ-392Ф

2.2.2 Положение центров шлифовальных кругов

2.3 Определение координат X, У, Ъ для центра Ои дифференциальным методом

2.5 Определение угла разворота шлифовального круга относительно оси борфрезы

2.4 Определение угла касания (30 методом векторного анализа

2.6 Определение угла поворота заготовки (координата ДА)

2.7 Образование групповых зубьев фасонных борфрез

2.8 Алгоритм Windows совместимого продукта автоматизированной ^ разработки управляющих программ

2.9 Решение кинематической задачи для шлифовально-заточных ^ станков с разворотом шлифовального круга

Выводы

Глава 3. Технологическое обеспечение процесса профилирования фасонных ^ борфрез

3.1 Правка шлифовальных кругов

3.1.1 Различие между операциями правки и заточки

3.1.2 Правка кругов из эльбора алмазными иглами

3.1.3 Правка кругов из эльбора алмазными роликами

3.1.4 Правка алмазных кругов

3.2 Применяемые смазочно-охлаждающие жидкости

3.3 Режимы резания при изготовлении борфрез

3.4 Особенности профилирования борфрез двумя шлифовальными g^ кругами

3.5 Принципы параметрического станочного программирования

3.6 Анализ функций управления дополнительным параметром а

3.7 Определение точностных параметров борфрез

Выводы

Глава 4. Проверка результатов расчета траектории шлифовального круга ^ ^ при формировании фасонных борфрез в системе 3D моделирования

Выводы

В современном машиностроении широко используются инструменты, применяемые на зачистных операциях. Механизированную зачистку в основном выполняют борфрезами, которые характеризуются различными по форме производящими поверхностями, числом зубьев, их расположением и геометрией, а также используемыми инструментальными материалами режущей части.

Конструктивно борфрезы выполняются как концевой инструмент, имеющий режущую часть и хвостовик.

Режущая часть с хвостовиком как правило соединяются при помощи пайки, при твердосплавной режущей части, или стыковой сварки, при материале режущей части, выполняемой из быстрорежущих сталей.

По технологии изготовления борфрезы разделяется на так называемые "чёрные" и "светлые".

Технологический процесс изготовления "чёрных" борфрез выглядит следующим образом:

- предварительное спекание режущей части не до окончательной твёрдости; формирование зубьев; окончательное спекание; припаивание режущей части к хвостовику.

Такой инструмент широко используется благодаря низкой себестоимости, но имеет значительное радиальное и торцовое биения, что отрицательно сказывается на здоровье потребителя из-за воздействия вибраций.

Светлые" борфрезы выполняются при шлифовании "по целому" алмазными или эльборовыми кругами.

До недавнего времени формирование режущей части борфрез выполнялось при помощи универсальных приспособлений, что накладывало определённые ограничения на форму производящей поверхности, число зубьев и угол их наклона.

В современном инструментальном производстве универсальные приспособления вытесняются многокоординатными заточными станками с числовым программным управлением (ЧПУ), которые являются мощным и современным средством автоматизации, в том числе и при производстве борфрез.

Эффективное внедрение заточных станков с ЧПУ при изготовлении борфрез удерживается несколькими факторами: не приспособленностью существующих конструкций борфрез по ГОСТ 18944-73, ГОСТ 18945-73, ГОСТ 18946-73, ГОСТ 18946-73 к изготовлению на подобном оборудовании.

- для оформления передних и задних поверхностей используются аксиально-радиальные поверхности переменного шага, теория профилирования которых разработана недостаточно для использования на многокоординатных станках с

ЧПУ.

На настоящий момент в совершенстве разработана теория профилирования винтовых поверхностей постоянного шага, в которую наиболее существенный вклад внёс проф. С.И. Лашнев.

Вопросами изготовления и проектирования винтовых поверхностей переменного шага занимались отечественные и зарубежные учёные такие как И.А. Дру-жинский, В.А. Гречишников, Б.А. Перепелица, Г.И. Шевелёва, В.Б. Протасьев, Ю.С. Степанов, С.Г. Емельянов, Г.А. Харламов, A.B. Хандожко, С.Ю. Илюхин и др. Объектами исследований были шнеки, винтовые поверхности режущих инструментов, валков для поперечно-винтовой прокатки, конические колёса с криволинейными зубьями, зуборезные инструменты и т.п. ф Первое упоминание о борфрезах, как прототипе современных фрез, приведено в классической работе [1] H.H. Семенченко. Проведённый нами библиографический поиск за двадцать лет, позволил обнаружить только две публикации [2, 37], посвященных борфрезам.

Существующее многообразие систем координат шлифовально-заточных станков с ЧПУ, набор их управляемых движений требует адаптации теории обработки винтовых поверхностей с переменным аксиально-радиальным шагом к изготовлению борфрез, что до настоящего времени не было сделано. Упомянутые авторы в основном решают обратные задачи профилирования, когда при известной производящей поверхности шлифовального круга и траектории его перемещения определяются профиль инструмента и геометрические характеристики его сечений.

При изготовлении борфрез решение обратной задачи очень полезно для по** лучения наиболее качественных характеристик инструмента, но не менее важно определить и саму наиболее рациональную форму шлифовального круга и траекторию его движения, т.е. по классификации проф. С.И. Лашнева решить кинематическую задачу.

Математическое содержание кинематической задачи фактически является инструкцией по программированию перемещений рабочих органов заточных станков для изготовления инструментов, которую разработчики оборудования не разглашают и которая является "ноу хау".

Как правило, пользователь, приобретая подобное оборудование, получает с ним некоторый пакет управляющих программ (УП) для обработки определённого инструмента. Для расширения номенклатуры изготавливаемого инструмента заказчик сталкивается с существенными дополнительными трудностями и расходами.

Можно утверждать, что в России отсутствует программный комплекс позволяющий решать кинематические задачи подобного рода.

По данным автора такими комплексами располагают известные мировые инструментальные фирмы Walter, Saake, Shneberger, а из стран СНГ только республика Беларусь в лице АП "Витебский завод заточных станков" (ВИЗАС).

Отдельно можно рассматривать задачу проектирования конструкции инструмента с использованием технологии CAD/CAM. К сожалению ни стандарты на бор-фрезы, ни рабочие чертежи не позволяют использовать содержащуюся в них информацию для программирования и программисту приходиться перерабатывать существующую конструкторскую документацию.

Однако при разработке конструкторской документации имеет место следующее противоречие - потребителю не нужен сложный чертёж на борфрезу, ему нужен чертёж раскрывающий эксплуатационные возможности, а изготовителю этого не достаточно.

Частично, но в адаптированном виде, при решении вопросов профилирования можно применить результаты работ [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13], но в остальном, включая процедуру проектирования борфрез, технологию их изготовления алмазным инструментом "по целому" на заточных станках с ЧПУ, решение т.н. кинематической задачи [3], автоматизированную систему разработки управляющих программ, в данной работе пришлось выполнять без использования технических решений, опубликованных в научных изданиях.

Целыо настоящей работы является разработка отечественного программно-методического комплекса, позволяющего на станках с ЧПУ изготавливать различные борфрезы с различной формой производящей поверхности.

Детализируя цель работы можно выделить следующие научные задачи, решение которых позволит изготавливать конкурентно способные качественные отечественные борфрезы:

- разработать методику компьютерного проектирования чертежей борфрез с использованием 3D моделирования, удовлетворяющую потребностям потребителя и являющуюся основой для последующего решения кинематических задач; выполнить обобщение форм производящих поверхностей борфрез, позволяющее обрабатывать все борфрезы с использованием единого программного комплекса, построенного на общей исходной информации;

- разработать математический аппарат для решения кинематической задачи с использованием возможностей ЭВМ;

- разработать общую математическую модель борфрез, позволяющую на заточных станках с ЧПУ изготавливать борфрезы с одинаковыми и т.н. групповыми зубьями;

- разработать технологию правки шлифовальных кругов средствами ЧПУ, включаемую в общий программно-методический комплекс; определить режимные параметры при шлифовании зубьев борфрез "по целому" с помощью алмазных шлифовальных кругов;

- разработать Windows совместимый программный продукт для создания УП при изготовлении борфрез и внедрить его в действующее производство.

Научная новизна работы заключается в разработке методики комплексного проектирования и изготовления фасонных борфрез с обычными и групповыми зубьями на заточных станках с ЧПУ, учитывающей: условия профилирования винтовых поверхностей аксиально — радиального переменного шага;

- закономерности изменения основных и зависимых параметров, характеризующих конструкцию режущей части борфрез; кинематические особенности и технологические ограничения заточных полуавтоматов.

Выводы:

1. Рассмотрены основные координатные системы, используемые для описания импортируемых объектов. Произведён выбор оптимальной координатной системы, полностью совмещаемый с системой координат, используемой при решении кинематической задачи профилирования фасонных борфрез;

2. Описан формат файла, характеризующего местоположение импортируемого объекта в пространстве 3D системы;

3. Рассмотрены основные положения методики по определению углов подъёма винтовых линий стружечных канавок фасонных борфрез.

Заключение и основные выводы

1. Разработан отечественный программный продукт для автоматизированного проектирования фасонных борфрез и создания управляющих программ для заточных станков с ЧПУ включающий:

- использование 3D моделей для построения режущей части борфрез и проверки правильности управляющей программы;

- решение кинематической задачи для всех типоразмеров и форм борфрез с использованием обобщающей производящей поверхности;

- технологию автоматизированной правки шлифовальных кругов;

- определение величин контурных подач для различных условий и величин припусков, снимаемых при формировании зубьев режущей части при шлифовании "по целому".

- формообразование инструментов с так называемыми "длинными" и групповыми зубьями.

2. Проанализированы технологические возможности шлифовально-заточных станков с числовым программным управлением моделей ВЭ-352Ф4, Walter в результате установлен статус дополнительных, установочных и управляемых координат оборудования. Показано, что в качестве постоянной (установочной) координаты рационально использовать угол разворота стола относительно оси шлифовального круга.

3. Показано, что для формирования зубьев борфрез на шлифовал ьно-заточных станках мод. ВЭ-392Ф4 и их модификаций наиболее подходит упрощённая локсодромическая кривая, обеспечивающая постоянный угол скрещивания между осями заготовки и шлифовального круга.

4. Исследованы основные аспекты технологического обеспечения при изготовлении режущей части твёрдосплавных и быстрорежущих фасонных борфрез:

- определены марки шлифовальных абразивных кругов;

- получены математические зависимости для выполнения процесса правки кругов средствами СЧПУ и рассмотрен прогрессивный способ правки алмазными роликами;

- определены зависимости для определения величин контурных подач на различных участках профиля и определены поправочные коэффициенты, учитывающие технологические особенности различных зон обрабатываемых борфрез;

- доказано, что при использовании четырёх управляемых координат и одной установочной величины нормальных передних углов на длинных и коротких зубьях не выходят за пределы заданного допуска.

5. Определена рациональная функция, определяющая смещение центра шлифовального круга относительно осевого сечения обрабатываемой борфрезы. Предложенная функция учитывает особенности станков ВЗ-Э92Ф4 и последующих аналогичных моделей и не имеет динамических ограничений.

6. Совокупность проведённых исследований позволяет формировать зубья всех форм фасонных борфрез как по стандартам России, так и по зарубежным каталогам.

7. Разработанный программный продукт в течении 2003. .2005 г.г. эксплуатируется на Серпуховском инструментальном заводе (СИЗ "ТвИнТОс") при изготовлении борфрез с "длинными" зубьями и обеспечил повышение их стойкости до 2.2х раз (акт внедрения прилагается). Стойкость инструментов составляет 90.95% в сравнении с зарубежными образцами. В 2005 г. осуществлено внедрение программ для изготовления борфрез всех форм с групповым расположением зубьев.

1. Аршанский Е.А., Конников М.Н., Рабинович A.M. Формирование зубьев группового расположения на сферических борфрезах // СТИН. №10. 1986. с. 23.

2. Лашнев С.И., Юликов М.И. Расчёт и конструирование металлорежущих инструментов с применением ЭВМ., М., "Машиностроение" , 1975.

3. Илюхин С.Ю. Автоматизированное проектирование режущего инструмента // Сборник научных трудов ведущих ученых технологического факультета. — Тула: ТулГУ, 2000. с. 73-75.

4. Илюхин С.Ю. Каркасно-кинематический метод профилирования // Труды IV международного конгресса "Конструкторско-технологическая информатика 2000". М.: СТАНКИН, 2000. - с. 224-227.

5. Математическая модель решения задач профилирования с использованием каркасно-кинематического метода / С.Ю. Илюхин, С.А. Крутилин, A.B. Доронин; Тул. гос. ун-т. Тула, 2001.-22 е.: ил. - Рус.-Деп. в ВИНИТИ 29.01.02, №161-В2002.

6. Протасьев В.Б., Ушаков М.В., Илюхин С.Ю. Профилирование поверхностей, обрабатываемых при переменных параметрах дисковых режущих инструментов. М.: ВНИИТЭМР, 1985. - 12 с.

7. Илюхин С.Ю., Протасьев В.Б. Современные тенденции развития методов профилирования // Труды IV международного конгресса "Конструкторско-технологическая информатика 2000". М.: СТАНКИН, 2000. с. 227-229.

8. Протасьев В.Б., Илюхин С.Ю. Расчет профиля поверхностей, обрабатываемых дисковыми инструментами при переменных параметрах установки. — М.: ВНИИТЭМР, 1985.-11 с.

9. Брусов С.И., Тарапанов A.C., Харламов Г.А. Комплексный анализ и управление механической обработкой винтовых поверхностей // Справочник. Инженерный журнал. 2002. №11. с. 27-29.

10. Илюхин С.Ю. Теория моделирования формообразования поверхностей деталей машин с использованием каркасно-кинематического метода: Монография. Тула: ГУИПП "Тульский полиграфист", 2002г. 176с. ил.

11. Каравайский В.В. Избранные труды, т.2. Москва. Геодезия 1959 г.

12. Борфрезы концевые и насадные, сферические, цилиндрические, конические из быстрорежущей стали: ГОСТ 22134-76 ГОСТ 22158-76. переизд. М. Изд-во стандартов. 1982, 1987.

13. Илюхин С.Ю. Проектирование валков для поперечно-клиновой прокатки заготовок бор-фрез // Технология механической обработки и сборки. — Тула: ТулГУ, 1994.-с. 48-53.

14. Палей М.М. Технология и автоматизация инструментального производства: Учебник для вузов. Волгоград.: Волгоград, гос. ун-т. 1995. 488 е.: ил.

15. Протасьев В.Б., Истоцкий В.В. Профилирование сферических борфрезс косыми зубьями // Труды Международной научно-технической конференции, посвященной памяти выдающихся ученых Коганова H.A. и Лаптева С.И. Тула: Тул-ГУ, 2002.

16. Попов A.B. Влияние параметров шлифования на оптимальную концентрацию алмазов в кругах на органических связках. // Вестник машиностроения.1999. №12. с. 48-50.

17. Романов В.Ф., Авакян В.В. Технология алмазной правки шлифовальных кругов. -М.: Машиностроение, 1980.-118 с.

18. Брусов С.И., Тарапанов A.C., Харламов Г.А. Прогнозирование износа режущих инструментов для обработки винтовых поверхностей // Справочник. Инженерный журнал. 2003. №4. с. 13-14.

19. Попов A.B. Влияние режимов алмазного шлифования на эффективность применения СОЖ на водной основе. Изв. ТулГУ. Сер. Машиностроение. Вып. 5.2000. с. 180-182.

20. Попов A.B. Влияние СОЖ на удельный расход алмазов при шлифовании твердых сплавов кругами на органических связках. // Вестник машиностроения. 2000. №7. с. 38-40.

21. Попов A.B. Влияние СОЖ на выбор оптимальной скорости резания при алмазном шлифовании твердых сплавов. // Вестник машиностроения. 2001. №11. с. 75-76.

22. Дружининский И.А. Сложные поверхности: Математическое описание и технологическое обеспечение: Справочник. —JL: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1985. — 263 е., ил.

23. М.Д. Флид. Технология и оснастка для заточки твердосплавных борфрез. // СТИН. №6. 1993. с.42-43.

24. Справочник инструментальщика / И.А. Ординарцев, Г.В. Филиппов, А.Н. Шевченко и др.; Под общ. ред. И.А. Ординарцева. Л.: Машиностроение. Ленингр. отделение, 1987.-840 е.: ил.

25. Попов А.В. Механико-прочностной анализ алмазного шлифования инструмента. Тул. гос. ун-т. Тула, 2003.-227 с.

26. Машиностроение. Энциклопедия / Ред. Совет: К.В. Фролов (пред.) и др. — М.: Машиностроение. Технология изготовления деталей машин Т. Ill -3/А.М. Даль-ский, А.Г. Суслов, Ю.Ф. Назаров и др.; под общ. ред. А.Г. Суслова. 2000. 840 е., ил.

27. Брусов С.И., Тарапанов А.С., Харламов Г.А. Комплексный анализ и управление механической обработкой винтовых поверхностей//. Издательство "Машиностроение". Справочник. Инженерный журнал. 2002. №11.-С.27-29

28. Поиск рациональных параметров установки, наладочных размеров выполняются но автоматизированному циклу. При использовании программ на станке 133-392Ф4 в сравнении с начальной стадией обеспечено среднее повышение производительности не менее чем в 2 раза.

29. В ходе разработки программного продукта была произведена корректировка геометрических параметров борфрез, позволившая устранить положения ГОСТ, нарушающие выполнение условий профилирования, возникающих при изготовлении борфрез.

30. Представители заказчика: Нач. цеха №6 Пелевинов Е.Г

31. Начальник ТО Горшкова Р.П. с\\ Главный технолог Калакин В.М.1. Исполнители: ^—д.т.н. проф. Протасьев В.Б. (/) / —1инженер Истоцкий В.В.

32. УТВЕРЖДАЮ» Гс н. Д11 рс кто р;С5лО «С ИЗ »ТВ И НТОС»у^З^Г ^^Грттшррсмстьсрг.1. АКТ от 01.07.05г.

33. Управляющая программа принята в производство.

34. Малыхин М.Е. Мочилина Л.Ф. Истоцкий В.В. Сашлтпев К.В.1. УТВЕРЖДАЮген. директор ОАО "СИЗ'ТВИНТОС">::у>В.М. Шереметьев1. Ш! » ; Ш 2005-•у1. АКТ от 30.08.05

35. В соответствии с планом графиком разработки программного обеспечения на шлифование борфрез с секторной нарезкой (групповой зуб) изготовлена опытная партия сфероконических борфрез количество секторов

36. Геометрические параметры изготовленных борфрез соответствуют чертежу № й£ $ -¿^Замечаний по внешнему виду нет.

37. Управляющая программа принята в производство.

38. Начальник цеха №6 Контрольный мастер Главный конструктор Главный технолог

39. Крылов А.А. Мочилина Л.Ф. Истоцкий В.В."с/^ъ ^а^О-Г Сайгушев К.В.- УТВЕРЖДАЮген': директор ОАО "СИЗ'ТВИНТОС"1. Е.М. Шереметьев 2005 г.1. АКТ от 30.08.05

40. Управляющая программа принята в производство.

41. Начальник цеха №6 Контрольный мастер Главный конструктор Главный технолог-исиУа!М^лГ Сайгушев К.В.