автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Формообразование цилиндрических поверхностей дисковыми инструментами с использованием принципа "косой" подачи

ТУЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи

ВАНЬКОВИЧ Андрей Теодорович

2 2 ДЕК ?№

ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ ДИСКОВЫМИ ИНСТРУМЕНТАМИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ПРИНЦИПА "КОСОЙ" ПОДАЧИ

Специальность 05.03.01 - Процессы механической и физико-технической обработки, станки и инструмент

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула 2000

Работа выполнена на кафедре "Инструментальные и метрологические системы'' Тульского государственного университета

Научный руководитель

- доктор технических наук, профессор Протасьев В.Б.

Научный консультант

- кандидат технических наук, доцент Илюхин С.Ю.

Официальные оппоненты

- доктор технических наук, профессор Федоров Ю.Н.

- кандидат технических наук, старший научный сотрудник Моисеев Е.Ф.

Ведущее предприятие - завод по ремонту технологического

оборудования г. Щекино Тульской обл.

Защита состоится "с7/ декабря 2000 г. в часов в & учеб-

ном корпусе, ауд. на заседании диссертационного совета К 063.47.01

Тульского государственного университета (300600, г. Тула, пр. Ленина, 92).

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Тульского государственного университета

Автореферат разослан " У/7- ноября 2000 г.

Ученый секретарь ' 1 '

диссертационного совета, _^

к.т.н., доцент Е.И. Федин

¿//Г^ 00* 2/-¿'¿-О/. О

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Фасонные цилиндрические поверхности с прямолинейной направляющей и постоянной образующей весьма часто применяются во многих отраслях машиностроения в качестве рабочих поверхностей различных изделий. Они рассматриваются как частный случай винтовых поверхностей, когда значение осевого шага винтового движения (винтового параметра) равно бесконечности. Такие поверхности в целях ускорения и удешевления их формообразования обрабатываются в большинстве случаев фасонными дисковыми фрезами. Преимущества применения таких фрез особенно сильно проявляются при обработке заготовок с большим отношением длины к ширине фрезеруемых поверхностей.

Силовая неравномерность прерывистого резания является доминирующим показателем при оценке эффективности технологических операций, использующих фрезерный инструмент. Переменность окружной силы и крутящего момента в процессе работы фрезы является существенным недостатком. Первопричиной переменности сил резания является непостоянство'суммарной площади поперечного сечения среза, врезание режущих кромок в материал заготовки и их выход из контакта с ним.

Наилучшие результаты по снижению неравномерности фрезерования достигаются фрезами с винтовыми стружечными канавками. Такой прием дает положительный эффект при эксплуатации инструментов с простой формой профиля как, например, у цилиндрических фрез и довольно редко используется у фасонных фрез. Причиной этого является чрезвычайная сложность и трудоемкость процедур их изготовления и восстановления режущих свойств. Другие приемы управления схемой срезания припуска (динамикой резания) изменением различных параметров фасонного инструмента имеют либо трудности, схожие с указанными выше, либо приобретают новые недостатки, при которых возможность управлять динамикой резания уменьшается. Так, изготовление фасонных фрез с наклоном плоской передней поверхности сталкивается с рядом проблем, вызванных резким отличием величин передних и задних углов вдоль лезвия инструмента и искажением профиля фрезы при незначительном снижении неравномерности фрезерования.

По этим причинам актуальна задача создания и практической реачизации новых схем резания, обладающих универсальностью, позволяющих управлять динамическими характеристиками прерывистого резания, допускающих применение стандартного оборудования и использование прямозубых фасонных дисковых инструментов. В настоящей диссертации исследуется фрезерование цилиндрических поверхностей по схеме, основанной на использовании принципа "косой" подачи заготовок.

Связь работы с научными программами. Диссертация выполнялась в соответствии с международной научно-технической программой "Ресурсосберегающие технологии машиностроения".

Цель работы. Создание новой кинематической схемы резания для формообразования цилиндрических поверхностей деталей прямозубыми фасонными дисковыми фрезами, которая позволяет управлять динамикой операций фрезерования изменением направления движения подачи относительно перпендикуляра к оси вращения инструмента.

Автор защищает:

- кинематическую схему резания;

- методики определения координат профиля цилиидрической поверхности, координат профиля производящей поверхности и угла "косой" подачи;

- методику оценки неравномерности фрезерования по критериям, учитывающим изменение минимальных и максимальных величин суммарной площади поперечного сечения срезаемого слоя;

- механизм воздействия на неравномерность фрезерования через изменение угла разворота оси дисковых инструментов и принципы его параметрической оптимизации по критерию равномерности фрезерования;

- рекомендации к применению кинематической схемы резания.

Научная иовизна. Разработана новая схема фрезерования цилиндрических поверхностей прямозубыми фасонными дисковыми фрезами, использующая принцип "косой" подачи и позволяющая управлять динамикой прерывистого,резания, перераспределять нагрузки на режущие кромки, что улучшает эффективность операций фрезерования.

Разработан комплекс математических моделей и методика, обеспечивающая проектирование операции фрезерования с оптимизацией технологического параметра установки инструмента относительно заготовки по ,критерию максимума равномерности фрезерования.

Практическая ценность. Разработаны алгоритмы решения обратной и прямой задач формообразования, определения величин угла "косой'' подачи и оценки равномерности фрезерования. На их основе составлен пакет компьютерных программ для автоматизированных расчетов при решении перечисленных задач, анализа влияния параметров профиля производящей поверхности на динамику фрезерования, моделирования равномерности прерывистого резания с предоставлением выходных данных в числовом или в графическом режиме. Совокупность таких программ позволяет решать указанный ряд инженерных задач со значительным сокращением времени проектных расчетов. Программное обеспечение может быть использовано в качестве модуля САПР инструмента.

Практическая реализация. По результатам исследований спроектированы и изготовлены резцовые головки, которые внедрены в производственный процесс завода по ремонту технологического оборудования (г. Щекино Тульской области) для обработки корпусов нагнетательного клапана.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были доложены и обсуждены на научно-технических конференциях профессор-

ско-преподавательского состава ТулГУ, проводимых с 1998 по 2000 год, на первой международной конференции по проблемам проектирования инструментального и метрологического обеспечения и производства зубчатых передач "Современные проблемы и методология проектирования и производства силовых зубчатых передач" в 2000 году.

Публикации. По материалам проведенных исследований опубликовано семь печатных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, основных выводов, списка использованных источников из 72 наименований и приложений. Работа содержит страниц машинописного текста, рисунков, таблиц.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность использования кинематической схемы резания, основанной на применении принципа "косой" подачи заготовок, в операциях фрезерования цилиндрических поверхностей прямозубыми фасонными дисковыми фрезами и сформулированы основные задачи, решение которых позволит выполнить ее практическую реализацию.

В первой главе произведен кинематический анализ операций фрезерования цилиндрических поверхностей дисковым инструментом с использованием принципа "косой" подачи заготовок. Эти операции определяются схемой резания. Она характеризуется так называемым углом разворота ср (рисунок 1), который измеряется между плоскостью, совпадающей с направлением движения подачи 5, и плоскостью, перпендикулярной оси вращения инструмента. Векторы движений резания и подачи лежат в разных плоскостях. Образуется сложная пространственная траектория движений.

Особенностью исследуемой схемы резания является искажение профиля обрабатываемой поверхности в плоскости, нормальной к направлению движения подачи. Это происходит из-за изменений формы и размеров зоны контакта производящей поверхности с припуском (рисунок 1, г). При угле разворота ср=0° каждое из горизонтальных сечений Г-4' профиля производящей поверхности (рисунок 1, а) контактирует с линиями КБг и КБ?', направленными вдоль движения подачи, в точках, расположенных на оси ОаЪа вращения инструмента (рисунок 1, в). В этом случае происходит мгновенное врезание режущих кромок в материал заготовки. Увеличивая угол разворота ф, заметим, что, например, точки 2' и 2 контакта сечения 2' с линиями КБг и К^' смещаются от оси 0„2Ц на расстояние +Х„2 и -Х„2, соответственно. По этой причине угол 0, начала рабочего цикла точки 3' режущей кромки увеличится на угол 02, а точки 3 -уменьшится на угол 0'2=02- Распространяя подобные наблюдения на всю совокупность сечений Г-4', можно построить линию контакта 1-2-3-4-4'-3'-2'-Г

производящей поверхности с припуском, которая обусловит характер врезания прямых зубьев фрезы в материал заготовки. Она способствует:

- плавности врезания режущих кромок;

- увеличению угловой протяженности соприкосновения инструмента с припуском и возрастанию числа режущих кромок, одновременно контактирующих с обрабатываемой деталью;

- проведению коррекционных расчетов профиля производящей поверхности из-за искажений профиля обрабатываемой поверхности детали.

Рисунок 1. Особенности фрезерования дисковыми инструментами с использованием "косой"' подачи.

Взаимосвязь угла разворота ср и параметров профиля производящей поверхности с величиной угла 0| начала рабочего цикла точки режущей кромки выразится следующим образом:

0, =arcsin((Zu¡; Ru¡)- tg(p) = arcsin(ctgc¡ • tg(p), (1) '

где g¡ - угол профиля инструмента в i-ой точке режущей кромки; Xu„ Yu¡, Zu¡, Ru¡ - координаты i-ой точки режущей кромки; а их взаимосвязь с искажениями профиля обрабатываемой детали так:

tgs, = (sin<p/ctga¡), tgv|;¡ = (coscp/ctgOj), (2)

где e„ - углы, определяющие положение нормали в i-ой точке профиля обрабатываемой поверхности детали.

Помимо возможного увеличения числа одновременно работающих режущих кромок, происходит' изменение размеров слоя, срезаемого каждой из них, размеров остаточных гребешков на номинальной поверхности детали и величин геометрических параметров режущего клина. Эти изменения зависят от угла разворота ср, параметров профиля производящей поверхности, режимов резания и от положения режущих кромок относительно направления движения подачи S0z (рисунок 1). Их взаимосвязь с характеристиками процесса срезания припуска выразится следующими расчетными зависимостями:

a ¡ = Sz ■ coscp ■ sinOj • sinaj - Sz • sintp ■ coscr¡ (3)

а j = Sz ■ sintp • cosa, + Sz • costp • sin0¡ • sina¡, (4)

где a¡ - толщина среза на i-й точке режущей кромки инструмента; Sz - подача на один зуб инструмента, а знак "-" в зависимости (4) используется в случае, когда i-ая точка режущей кромки имеет координату Xu¡ < 0;

RZTj =sina.

R . Íd2, fSz-cos9^2 ui -----2--)

+ l Sz-sin(p

(5)

2-tgCT¡

L N = SZ-sintp-cos(j>, (6)

где Rzt¡. Ln - высота расчетных неровностей и их шаг в направлении, нормальном движению подачи S;

(Sz ■ sintp• cosaj +SZ -cos((>'sin0¡ • sinCT:|)

tgaN, = v- ' • ■ ■ -..... .. .............(7)

(Vp¡ +SZ -cosp-cosOi)

7Pi =arctg(tgy¡-cos^j + aNi (8)

api = arctg(tg(arctg(tgai /соз?ч)'± aNi) • cosXpi), (9)

где a^j . угол, определяющий положение поверхности резания относительно горизонтальной плоскости в i-й точке режущей кромки; Vp, - линейная скорость вращательного движения i-й точки режущей кромки; ур„ api, Xpi и y¡, a„ - геометрические параметры i-ой точки режущего клина, измеряемые в кинематической и инструментальной системах координат.

Зависимости (7), (8) и (9) со знаками, указанными в верхнем положении, а также зависимость (4), используются для точек режущих кромок, обращенных в сторону, противоположную движению подачи Soz (1-ый случай). Зависимости (7), (8) и (9) со знаками, указанными в нижнем положении, а также зави-

симость (3), применяются для точек режущих кромок, обращенных в сторону, совпадающую с движением подачи Бог (2-ой случай).

В точках режущих кромок, в первом случае, задний угол ар, и толщина а| среза увеличиваются, а передний угол ур; уменьшается с увеличением угла разворота ф. В точках режущих кромок, во втором случае, с увеличением угла разворота ф, характеристики процесса срезания припуска изменяются по закономерностям, обратным первому случаю. Такой характер изменения толщины а, среза позволяет управлять динамикой прерывистого резания, а незначительная величина угла ст^, (расчеты показывают, что угол а^ не превышает 0,5-0,6°) позволяет считать рабочие углы ур|, ар(, ?.р| режущего клина равными его углам заточки 7|, сц, Х|. Таким образом, исследуемая схема резания не оказывает существенного влияния на режущую способность применяемых инструментов.

С увеличением угла разворота ф высота расчетных неровностей увеличивается, а интенсивность ее роста увеличивается с уменьшением угла профиля а, и диаметра инструмента и уменьшается с уменьшением подачи на один зуб.

Если при общем встречном фрезеровании используется "косая" подача, то часть режущих кромок инструмента работает в условиях попутного фрезерования. В нем участвуют те режущие кромки, которые обращены в сторону, противоположную направлению движения подачи Бо^. Это происходит тогда, когда они располагаются в той части зоны контакта производящей поверхности с припуском, которая определяется углом ©2 и координатой Хи2 < 0 (рисунок 1, б, г).

Исследуемая схема резания не приводит к существенным изменениям ни в процедуре настройки, ни в процедуре наладки станка. Направление разворота осей детали на угол ф следует принимать в зависимости от направления вращения инструмента. Для леворежущих фрез угол ф формируется поворотом осей детали по часовой стрелке, если смотреть против направления движения подачи, а для праворежущих фрез - поворотом против часовой стрелки. Особое внимание следует уделить установке инструмента относительно заготовки, так как это действие вызывает трудности, связанные с определением взаимного расположения осей инструмента и обрабатываемой детали. Такая установка осуществляется либо методом пробных проходов, либо с помощью эталоноп.

Во второй главе рассмотрена методика решения вопросов формообразования цилиндрических поверхностей деталей и производящей поверхности дисковых инструментов. В ней выделяют две основные задачи:

- обратную, при которой, зная профиль производящей поверхности и угол разворота ф, определяют профиль обрабатываемой поверхности детали в нормальном сечении к ее направляющей;

- прямую, в которой, приняв за основу профиле обрабатываемой поверхности детали в нормальном сечении и выбранный угол ср, определяют профиль производящей поверхности инструмента.

Решение обратной задачи позволит рассчитать погрешность формы обрабатываемой поверхности и сделать вывод о годности детали; решение прямой задачи позволит устранить эти погрешности путем коррекционных расче-

Рисунок 2. Решение обратной задачи формообразования.

Применение ЭВМ позволяет использовать, в качестве математической основы решения таких задач,.бездифференциальный метод. В его основе заложен принцип прохождения геометрического тела через заданную плоскость. Она задается одной из множества линий координатной сетки. Считается, что тело являясь режущим, оставит в заданной плоскости детачи свой след, который и является ее искомым профилем.

На рисунке 2 представлена схема к решению обратной задачи формообразования бездифференциальным методом для деталей с вогнутым профилем, а на рисунке 3 - с выпуклым профилем. Взаимосвязь координаты точки профиля производящей поверхности в осевом сечении с координатой Ъ\ точки профиля обрабатываемой поверхности в сечении, нормальном к ее направляющей, в плоскости, заданной координатной линией сетки с размером Ущ, выразится следующими расчетными зависимостями:

Ъх - Хш • БШф + Ъщ -СОБФ = ( \iRuj - I ■ Б1ПФ + ■ соБф (10)

г, =гш -С03ф-Хи| -5Шф = 2Ы -СОБф-^/Ц^ ~ ]'5'ПФ (Ч)

Зависимость (10) используется в первом случае, отраженном на рисунке 2, а зависимость (11) - во втором, приведенном на рисунке 3.

Рисунок 3. Решение обратной задачи формообразования.

Принимая во внимание быстродействие расчетов на ЭВМ, исследование зависимостей (10) и (11) выполняют без использования производной, традиционно применяемой в исследованиях функций. Подставляя в зависимости (10) и (11) координаты ¡-ых точек профиля производящей поверхности в интервале значений от и до Zu|ч, убедимся, что координата Z¡ точки профиля детали в заданной плоскости получит изменение от начального значения до конечного, в начале возрастая, а затем уменьшаясь, для зависимости (10) и, уменьшаясь, а затем увеличиваясь, для зависимости (11), переходя в точку экстремума. Интервал значений координаты Zll¡ от до на котором производят поиск экстремума зависимостей (10) и (11), определяется так:

2ш,=0(1);2ик=(т-Уш)/с1еа1 (2); гик = ^- ш,)2 (3) (12) 2ик =2ишах 0); 21ш =(уш (2); Ъш = ^ -(т, - Уш)2 (3), (13)

где т, 2щпах - в зависимости (12) максимальный радиус фрезы, а в зависимости (13) ее минимальный радиус и полуширина инструмента, соответственно; Го, Ш| - радиус дуги - образующей профиля производящей поверхности и координата ее центра в радиальном направлении инструмента, соответственно.

Зависимость (12) характерна для первого случая, а (13) - для второго. Их составляющие (2) и (3) используют для инструментов, чьи образующие профиля представлены или прямой линией, или дугой, соответственно.

Положение экстремума зависимостей (10) и (11) относительно границ его интервата поиска определяет условия возникновения, соответственно, переходных кривых и точек излома на профиле детали. Если экстремум зависимости (10) совпадает с начальной границей интервала поиска Ът, то профиль детали формируется одной точкой инструмента и с переходной кривой. Если экстремум зависимости (11) совпадает с конечной границей интервала поиска Zl,¡i, то профиль детали формируется одной точкой инструмента, а при отрицательном значении его координаты Ъ\, профиль детали имеет точку излома.

Все необходимые точки профиля обрабатываемой детати определяются на координатных линиях сетки. Они задаются величинами координат Линии координатной сетки или так называемого каркаса играют своеобразную роль измерительных баз, на которых легко определить величины погрешностей профиля детали, возникающих при варьировании угла разворота ср.

Профиль производящей поверхности определяется методом итераций. Он основывается на закономерном изменении координат и Яи| точек профиля производящей поверхности с целью устранения погрешностей профиля детали и предотвращения выхода его размеров за предельные величины. Реализация этого метода имеет ряд трудностей, связанных с пониманием тенденции вносимых корректировок. Чтобы исключить эти трудности, профиль производящей поверхности можно определить по-другому. При обработке деталей с погнутым профилем за основу профиля производящей поверхности принимаются продольные и высотные размеры профиля детали выпуклой формы, которые определяются при решении обратной задачи формообразования. При обработке деталей с выпуклым профилем за основу принимаются размеры профиля детали согнутей формы.

Угол разворота <р определяется из след\ющих трех условий:

1. Обработка детали, отвечающей условию годности, осуществлялась бы инструментом без коррекционных расчетов его профиля;

2. Обработка детали, отвечающей условию годности, осуществлялась бы инструментом после коррекционных расчетов его профиля;

3. Обработка детали осуществлялась бы с максимальной равномерностью фрезерования.

В третьей главе рассмотрена методика оценки неравномерности фрезерования. Динамическая неуравновешенность прерывистого резания оценивается с помощью критериев, по величинам которых проводят анализ'динамики ре-

зания и выбирают тот вариант, который наиболее преемлим сточки зрения колебаний силы резания. Такая методика позволяет произвести параметрическую оптимизацию равномерности фрезерования.

г к

Хи, X ^

1-Хио! = Ь-хи0< \ ; -хиз

I н-

ч* __ ч! — ТГу

ЛИНИЯ

контакта

\

\ семейств

семейство ссчсиий А-А

Рисунок 4. Зона контакта производящей поверхности фрез с припуском.

На рисунке 4 представлены семейства горизонтальных сечений Г-4' профиля производящей поверхности различных инструментов и их зоны контакта с припуском. Врезание прямозубой фрезы в материал заготовки,.при традиционном фрезеровании, произойдет мгновенно, так как каждая точка режущей кромки соприкасается с припуском по линии 1-2-3-4-4'-3'-2'-Г, совпадающей с осью ОпЪи вращения фрезы (рисунок 4, а). Врезание фрезы с винтовым параметром передней поверхности происходит плавно. Это достигается увеличением длины линии 1-2-3-4-4'-3'-2'-Г соприкосновения производящей поверхности с припуском и ее расположением под утлом со к оси Ои2ц. Точки режущей

кромки контактируют с припуском не мгновенно, а постепенно, по мере ее врезания в материал заготовки (рисунок 4, б).

С увеличением угла разворота <р участок 1-2-3-4 линии соприкосновения производящей поверхности прямозубой фрезы с припуском сдвигается от оси OuZu на величину -Xuj, а участок 4'-3'-2'-Г - на величину +X„j (рисунок 4, а, в). Образуется эффект растягивания. Врезание прямозубой фрезы в материал заготовки начнется в точке 1 с координатой -XU| и закончится в точке 0' с координатой +Хи(у. Это обеспечивает увеличение плавности врезания режущих кромок и равномерности фрезерования.

Неравномерность фрезерования зависит от периодичности чередования рабочих циклов i-ых точек режущих кромок. Эта периодичность зависит от максимального угла контакта ©maxi- Так как противоположно расположенные друг к другу боковые режущие кромки соприкасаются с припуском в различные моменты времени и имеют неодинаковые условия его срезания, то можно выделить ряд характерных участков профиля инструмента, по разному влияющими на формообразование профиля детали и для i-ых точек режущих кро*юк которых, максимачьный угол контакта 0maxi изменяется по закономерностям, отличным от других. Таковыми участками (рисунок 5, в) являются:

1. Участок, расположенный между точками 1 и г. Он не оказывает влияния на профиль детали, но участвует в резании. Для i-ых точек этого участка максимальный угол контакта ©raaxiопределится следующим образом:

®maxi = arcsin(|XUH ji/Rui) - arcsin(XUBi /Rui), (14)

где Xlm„ XUBj - координаты i-ых точек линии соприкосновения 1-0 и 1-0'-0г производящей поверхности с припуском (рисунок 5, в);

2. Участок, расположенный между точками г и Ои. Он оказывает влияние на профиль детали и участвует в резании. Для i-ых точек этого участка максимальный угол контакта 0|Пач| определится следующим образом:

0maxi =arcsin(jXuj|:Ruj)-arcsin(Xu„i Кы). (15)

где X„j - координаты i-ых точек участка 0-0U линии соприкосновения производящей поверхности инструмента с припуском;

3. Участок, расположенный между точками Ои и г', который также влияет на профиль детати и тоже участвует в резании. Для i-ых точек этого участка максимальный угол контакта 0maxj определится следующим образом:

©maxi =arcsin(!X'ui|/Rui)-arcsin(XUBi /Rui), (16)

где X'uj - координаты i-ых точек участка 0U-0 линии соприкосновения производящей поверхности инструмента с припуском;

4. Участок, расположенный между точками г' и Г. Он не участвует ни в резании, ни в формировании профиля обрабатываемой детали.

Границы режущей, формообразующей и не принимающей участия в резании частей профиля производящей поверхности определяются координатами

Rur, Zur, Zur' точек режущей кромки r u г' (рисунок 5, в). Эти точки располагаются симметрично друг к другу относительно оси OuXu, а их координаты находят в результате решения обратной задачи формообразования. При угле разворота ф=ф||т точки / и г' совпадут друг с другом в точке Ои. В этом случае профиль детали формируется одной точкой инструмента.

Рисунок 5. Схема определения положения точек режущих кромок на припуске.

Применение ЭВМ позволяет уже известные критерии оценки неравномерности фрезерования существенно дополнить. Ее оценивают:

- по колебанию Дп п-го количества точек режущих кромок, одновременно контактирующих с припуском, при дискретном повороте фрезы, измеренного в реальном масштабе времени:

■ Ап=^пшт/Хпшах (1); Дп' = 1пшх - (2), (17)

где Inraax, Inmm - максимальная и минимальная сумма п-го количества точек;

- по изменению AS суммарной площади £S поперечного сечения среза в реальном масштабе времени при дискретном повороте фрезы:

AS = ISmin.<ISmax(l); AS' = ISmax - ISmin (2), (18)

где XSmax, ISmin - максимальная и минимальная поперечная площадь среза.

Критерии (2) в расчетных зависимостях (17) и (18) дополняют критерии (1) и используются для оценки неравномерности фрезерования в случаях, когда в контакте с припуском находится только один зуб инструмента.

Считается, что если-критерии (1) стремятся к единице, а критерии (2) к нулю, то'неравномерность фрезерования снижается.

Критерий Дп (Дп') отражает угловую протяженность контакта точек режущих кромок с припуском и определяет число зубьев, одновременно находящихся в работе, а критерий AS (AS') отражает характер изменения мгновенных усилий, возникающих в процессе резания. По критерию Дп (Дп') можно судить о неравномерности фрезерования в первом приближении, сохраняя логическую связь с решениями задач формообразования.

Для исследуемой схемы резания зоной контакта производящей поверхности с припуском будет поверхность Р (рисунок 5, а), которая ограничивается линией соприкосновения L, состоящей из двух участков Bo-Co-Aq и Bq-C'o-Ao. Первый участок этой линии характеризует начато соприкосновения j-ых точек i-ой режущей кромки с припуском, а второй участок - конец их соприкосновения. Координаты точек MHj и МВ1 определяют: положение участков Во-Со-Ао и Во-С'о-Ао линии соприкосновения L в системе координат инструмента OuXuYuZu, величину максиматьного угла контакта 0maxi и величины углов начата 0Hj и конца 0Bj рабочего цикла каждой j-ой точки i-ой режущей кромки. Расчет координат этих точек осуществляют в результате решения обратной задачи формообразования.

Каждая режущая кромка задается массивом точек K,¡. Их число определяется количеством секущих плоскостей А-А, в которых рассчитываются координаты точек M„¡ и MBJ\ Это означает, что для каждой точки Kj¡ величины углов и 0BJ, а так;;;о радиус RUJ ее орщення, считаются известными.'

Мгновенное положение j-ой точки i-ой режущей кромки на припуске ко' ординируется углом T,¡. Через изменение угла Tj¡ с дискретностью Д=1° задается движение точек Kj¡ и изменение их углового положения на припуске. Признаком соприкосновения точки Kj¡ режущей кромки с припуском за один оборот инструмента является выполнение следующего неравенства:

© «j^Tji >eBj' (i9)

При дискретном изменении угла Tj¡ отслеживают либо колебание Хп п-ого количества точек режущих кромок, одновременно находящихся в контакте с припуском, либо изменение XS суммарной площади поперечного сечения среза. В зависимости от целей, по определенным величинам Хп и XS строят

графики функциональных зависимостей п = Г (Т^) и = Г (Т,,), а по максимальным и минимальным величинам Хп и ХБ определяют критерии неравномерности. Критерий Д8 (ДБ') определяется с учетом расчетных зависимостей (3) и (4). Считая положение точек К^ режуших кромок на припуске известным, и заменяя криволинейное лезвие на прямолинейные участки определяют мгновенную суммарную площадь ХБ поперечного сечения срезаемого слоя:

где а^-и - средняя толщина среза на (] - 1)-ом участке режущей кромки; 2, К - число зубьев фрезы и общее количество точек ¡-ой режущей кромки.

В четвертой главе показано практическое применение исследуемой схемы резания. Для ее реализации используют прямозубые фасонные дисковые фрезы и станки, принадлежащие к фрезерной группе. Последние должны отвечать условиям достаточной мощности и жесткости технологической системы и условию функциональной пригодности - возможности выполнения "косой" подачи. К таковым станкам относят универсальные, широкоуниверсальные и вертикальные с поворачивающимся шпинделем консольно-фрезерные станки, а также станки с ЧПУ.

В целях повышения производительности обработки деталей, имеющих ряд цилиндрических поверхностей (рисунок б,а), их фрезеруют группой фрез, которые в целом образуют инструмент гребенчатого типа. Использование такого инструмента в операциях фрезерования приведет к существенному увеличению силы резания из-за увеличения общего числа одновременно обрабатываемых поверхностей. Это увеличит мощность, расходуемую на срезание стружки. При недостаточной мощности главного привода станка, указанное, приведет к снижению режимов резания (скорости резания и подачи), а неравномерность фрезерования окажется неприемлемой.

На кафедре ИМС 'ГулГУ выполнен ряд исследований по совершенствованию операции фрезерования цилиндрических поверхностей детали, показанной на рисунке 6, а. В результате этих исследований инструмент гребенчатого типа был заменен сборной резцовой головкой (СРГ) с развернутой осью (рисунок 6, г), которая вместо отдельных фрез имеет кольцевые вставки с закрепленными в них взаимозаменяемыми фасонными резцами.

На рисунке 6, д, е представлены динамические характеристики операций фрезерования цилиндрических поверхностей деталей (рисунок 6, а), исходя из двух случаев. Первый случая характеризует обработку детали инструментом, чьи отдельные зубья располагаются в ряд с угловым шагом 0=180°, а второй -СРГ, чьи резцы соседней кольцевой вставки располагаются против впадины предыдущей с шагом 0|=ЗО°, Согласно рисунку 6, можно заметить, что:

- использование "косой" подачи позволяет снизить неравномерность фрезерования и повысить плавность врезания режущих кромок в материал заготовки, как в первом случае, так и во втором;

¡=и=2

(20)

- использование СРГ в обработке детали предпочтительней, чем использование группы фрез в плане расходования эффективной мощности Мрез. Действительно, при одинаковых величинах скоростей резания VI и в первом и втором случаях обработки детали, эффективная мощность Мрезь расходуемая на срезание стружки со средней суммарной площадью поперечного сечения Кф), превышает эффективную мощность расходуемую на срезание

стружки со средней суммарной площадью поперечного сечения Х5ср2, в 18ср1:15ср2 раз.

45 90 135 180 Угол поворота Т^. град.

Угол поворота Т|'ь град

Рисунок 6. Схема фрезерования цилиндрических поверхностей деталей.

Изменения условий стружкообразования на режущих кромках инструмента при резании с использованием принципа "косой" подачи заготовок зависят от: положения передней поверхности инструмента относительно направле-

ния его движения, движения вдоль лезвия инструмента и соотношения между толщиной среза и рабочей длиной режущей кромки. Последний фактор оказывает наибольшее влияние.

Основные выводы

Г. Для практической реализации кинематической схемы резания, основанной на применении принципа "косой" подачи заготовок, используются прямозубые фасонные дисковые фрезы, фрезерные станки и технологическая оснастка, отвечающие условию функциональной пригодности - возможности разворота осей инструмента относительно осей детали.

2. Использование "косой" подачи приводит к изменению формы и размеров зоны контакта производящей поверхности с припуском. Это существенно увеличивает угловую протяженность прямозубых фрез с припуском, обеспечивает плавное вхождение ее режущих кромок в материал заготовки и приводит к увеличению числа одновременно работающих зубьев. От величины угла "косой" подачи зависит неравномерность фрезерования.

3. Сравнительный анализ зон контакта прямозубых фрез с развернутой осью и фрез с винтовым параметром передней поверхности с припуском показывает преимущество первых над последними по суммарной длине их соприкосновения с заготовкой и неравномерности фрезерования.

4. По результатам исследований доказано, что:

- общую зону контакта производящей поверхности инструмента с припуском можно разделить на участки попутного и встречного фрезерования;

- при варьировании угла "косой" подачи и отношениях скоростей движений резания и подачи, присущих фрезерованию, величины рабочих углов режущего клина существенно не отличаются от его углов заточки и не оказывают влияния на режущую способность применяемых инструментов;

- в процедурах настройки и наладки фрезерных станков следует уделить особое внимание направлению разворота осей инструмента относительно осей детали, из-за необходимости учета осевой силы резания, и к установке инструмента относительно обрабатываемой детали, из-за сложностей определения взаимного расположения их осей;

- при увеличении угла "косой" подачи размеры среза изменяются. Это позволяет управлять схемой срезания припуска;

- размеры и расположение расчетных неровностей на номинальной поверхности детали существенно зависят от величины угла "косой" подачи, а их высота - от параметров профиля производящей поверхности;

5. Получены аналитические зависимости и алгоритмы, на основе которых разработан программно-методический комплекс, позволяющий решать по предложенной бездифференциальной методике следующие частные задачи:

- определение годности профиля детали по его соответствиям допускаемому отклонению формы (обратная задача формообразования);

- определение параметров профиля производящей поверхности инстру-

мента (прямая задача формообразования) при итерационных расчетах, когда прямая и обратная задачи формообразования используются попеременно до . момента достижения приемлемого результата, а исходная информация может менять свой статус, переходя из независимой в зависимую и обратно;

- определение угла "косой" подачи, исходя из начальных условий;

При неудовлетворительных результатах расчета, алгоритмы позволяют переходить с одного диапазона определения угла "косой" подачи на другой. Таким образом, в распоряжении конструктора представлен гибкий математический аппарат, позволяющий сократить время проектных расчетов.

6. Для бездифференциальной методики решения задач формообразования предложена методическая основа оценки условий формообразования номинальной поверхности детали, которая включает в себя определение условий возникновения переходных кривых и точек излома на профиле детали.

7. С увеличением угла "косой" подачи максимальный угол контакта для точек режу щих кромок, обращенных в сторону, противоположную направлению движения подачи, увеличивается, а для точек, обращенных в сторону, совпадающую с направлением движения подачи, уменьшается.

8. Для фрезы с развернутой осью характерно образование четырех границ. Они отделяют формообразующую часть профиля производящей поверхности от частей профиля, участвующей в резании и не принимающей участия в нем. При увеличении угла "косой" подачи границы формообразующей части профиля производящей поверхности уменьшаются, а границы участвующей и не принимающей участия в резании частей ее профиля увеличиваются.

9. Параметрическая оптимизация равномерности фрезерования осуществляется с помощью критериев, которые учитывают:

- колебание п-ого количества точек режущих кромок инструмента, одновременно контактирующих с припуском, при его дискретном повороте, в реальном масштабе времени:

- изменение суммарной площади поперечного сечения срезаемого слоя, удаляемого п-ым количеством точек режущих кромок инструмента.

Численные значения этих критериев определяются соотношением минимальных и максимальных значений оценочных функций. Они позволяют утверждать, что с у р.елнчением утла "косой" подачи динамическая неуравновешенность прерывистого резания уменьшается.

10. При переходе от традиционной схемы фрезерования к схеме, основанной на использовании принципа "косой" подачи заготовок, условия деформирования срезаемого слоя на режущих кромках, обращенных в сторону, противоположную направлению движения подачи, и на кромках, обращенных в сторону, совпадающую с направлением движения подачи, изменяются. Это позволяет путем варьирования угла "косой" подачи создавать различные у словия резания на противоположно расположенных боковых режущих кромках и перераспределять нагрузки, действующие на них. Основным фактором, влияющим на изменение условий стружкообразования, является соотношение между толщиной среза и рабочей длиной режущей кромки инструмента.

Основное содержание диссертации изложено в следующих работах:

1. Ванькович А.Т. Кинематическая характеристика формообразования фрезерованием цилиндрических поверхностей дисковым инструментом с использованием угла разворота. В сб.: "Лучшие научные работы студентов и молодых ученых технологического факультета", Тула, ТулГУ, 2000. - стр. 45-50.

2. Ванькович А.Т. Оценка неравномерности фрезерования цилиндрических поверхностей дисковым инструментом с использованием угла разворота. В сб.: Теория, технология, оборудование к автоматизация обработки металлов давлением и резанием. Выпуск №2. Тула, ТулГУ, 1999. - стр. 346-353.3. Ванькович А.Т. Оценка неравномерности фрезерования методом копирования зубьев цилиндрических колес дисковым инструментом с использованием угла разворота. В сб.: Современные проблемы и методология проектирования и производства силовых зубчатых передач. Тула, ТулГУ, 2000.- стр. 168172. •■

4. Ванькович А.Т. Профилирование дискового инструмента с осью, развернутой относительно направления движения подачи, для нарезания цилиндрических зубчатых колес. В сб.: Современные проблемы и методология проектирования и производства силовых зубчатых передач. Тула, ТулГУ, 2000.стр. 173-177.

5. Илюхин С.Ю., Крутилин С.А., Ванькович А.Т. Фрезерование цилиндрических поверхностей инструментом с осью, развернутой относительно направления движения подачи. В сб.: Совершенствование конструкций инструмента и метрологические аспекты производства. Тула, ТулГУ, 1996.-стр.55-59.

6. Неравномерность фрезерования цилиндрических поверхностей дисковым инструментом с осью, развернутой относительно направления движения подачи. / А.Т. Ванькович, С.Ю. Илюхин, В.Б. Протасьев; Тул. гос. ун-т. - Тула, 1999. - 30 е.: ил. - Библиогр. 4 назв. - Рус. - деп. в ВИНИТИ 29.06.99, №2087 -В99.

7. Протасьев В.Б., Ванькович А.Т. Определение профиля дискового инструмента для обработки цилиндрической поверхности с использованием угла разворота. В сб.: Теория, технология, оборудование и автоматизация обработки металлов давлением и резанием. Выпуск №1. Тула, ТулГУ, 1999. - стр.231-237.

Подписано в печать 14.11.2000. Формат бумаги 60x80 1/16. Бумага типографская №2. Офсетная печать. Усл. печ. л. 1,1. Усл. кр. отт. 1,1. Уч. вн. л. 1,0. Тираж 80 экз. Закат № 709

Тульский государственный университет. 390600, г. Тула, пр. Ленина, 92. Подразделение оперативной полиграфии Тульского государственного университета. 300600, г. Тула, ул. Болднна, 151.