автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Формообразование винтовых зубьев на коническом инструменте

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО

ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ВИНТОВЫХ ЗУБЬЕВ НА КОНИЧЕСКОМ ИНСТРУМЕНТЕ

Специальность 05.03.01. - Процессы механической и

физико-технической обработки, станки и инструмент.

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

ЗНАМЕНИ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "СТАНКИН"

На правах рукописи

Григорьев Сергей Валерьевич

АВТОРЕФЕРАТ

Москва 1998г.

тЬ

Работа выполнена в Московском ордена Трудового Красного Знамени Государственном технологическом университете "СТАНКИН".

Научный руководитель -

Научный консультант -Официальные оппоненты

Заслуженный деятель науки РФ, доктор технических наук, профессор Гречишников В.А.

кандидат технических наук, доцент Колесов Н.В.

-Лауреат Государственной премии СССР, доктор технических наук,профессор Верещака A.C. -кандидат технических наук, Башков В.М,

Ведущее предприятие

МИЗ

Защита состоится " " _1998г. в часов на заседа-

нии специализированного Совета К 063.42.05 Московского Государственного технологического университета "СТАНКИН" по адресу: 101472, ГСП, Москва, К 55, Вадковский пер., д. За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского Государственного технологического Университета "СТАНКИН".

Автореферат разослан " //_1998г.

Ученый секретарь

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

В современном машиностроении широкое применение получил концевой

конический инструмент с режущими кромками на поверхности конуса. Наиболее распространены концевые конические фрезы для обработки трехмерных поверхностей, формообразующих детали штампов и прессформ. Однако, как. показывает производственный опыт, применяемый на данной операциях инструмент, из-за низкого качества, во многом не отвечает требованиям автоматизированного производства. Низкая надежность концевых конических фрез, в первую очередь, определяется несовершенством его конструктивных и геометрических параметров, из-за негативного взаимовлияния величины угла наклона режущей кромки и геометрии режущего зуба. Поэтому, на практике наибольшее распространение получили концевые конические фрезы с небольшим углом подъема спирали зуба.

Современные технологические возможности инструментального производства, обусловленные применением многокоординатных станков с ЧПУ, в т.ч. и шлифовальных, позволяют повысить качественные характеристики концевого конического инструмента, путем создания более совершенных конструкций. Однако, практическое решение данной задачи связано с необходимостью проведения исследований путей и методов формообразования винтовых поверхностей режущих зубьев на современном оборудовании.

Существующие научные и производственные данные не позволяют комплексно управлять процессом формообразования винтовых канавок на конусе, в результате чего на производстве при изготовлении и переточке возникают серьезные технологические трудности, которые, в конечном счете, приводят к низкому качеству этого вида инструмента.

Для конического инструмента одновременное соблюдение требований технологичности и обеспечения высокой работоспособности инструмента не всегда возможно. Поэтому окончательная конструкция такого инструмента -результат некоторого компромиссного решения, заключающегося в том, что на стадии проектирования разрабатывается идеальная модель его режущей части, оптимальная с точки зрения процесса резания. А затем разрабатывается технологический процесс изготовления инструмента, исходя из условия минимизации отклонения от идеальной модели.

Существующие методики проектирования не в полностью используют конструктивные и технологические резервы, отсюда возникает необходимость разработки гибких параметрических моделей профиля конического инструмента. Кроме того, проблема выбора рациональной конструкции инструмента второго порядка является сложной и многоплановой задачей , требующей оптимизации многочисленных технологических и конструктивных параметров.

В настоящее время, одной из актуальных задач, стоящих перед производством, является сокращение номенклатуры инструмента второго порядка, что

позволяет существенно снизить себестоимость изделия. Для предприятий, выпускающих концевой инструмент небольшими партиями , но большим типажом, проектирование под каждый типоразмер инструмента второго порядка оправданно при невозможности применения стандартного или имеющегося в наличии, а также при необходимости обеспечения повышенной точности обработки. И таких предприятий довольно много, это в первую очередь инструментальные цеха и заводы авиационной, автомобильной, станкостроительной и оборонной промышленности.

Поэтому, повышение качества концевого конического инструмента, за счет совершенствования его конструктивных и геометрических параметров, является задачей актуальной и практически значимой.

Пель работы: Целью работы является повышение качества концевого конического инструмента, за счет повышения эксплуатационной надежности, на основе исследования путей совершенствования конструкции и технологии изготовления конического инструмента с винтовыми зубьями, путем управления конструктивными и геометрическими параметрами инструмента, а также определение граничных условий использования стандартного инструмента второго порядка.

Достижение поставленной цели автор видит в:

• проектировании режущей части конического инструмента с учетом технологии их изготовления и создания методики конструирования, открытой для оптимизационного поиска в сочетании с методикой определения формы профиля инструмента второго порядка ;

• исследовании влияния формообразующих движений на параметры винтовой поверхности на конусе, с целью разработки комплекса мер по управлению геометрией режущего клина;

• определении профиля производящей поверхности вращения на основе воспроизведения траектории движения в процессе формообразования исходной винтовой поверхности на конусе;

• исследовании факторов, влияющих на форму профиля дискового инструмента, и разработки оптимизационной модели управления формой профиля исходной производящей поверхности;

• аппроксимации профиля производящей поверхности вращения на одно и двухугловую форму и оценке погрешности замены;

• разработке алгоритмического и программного обеспечений. Научная новизна заключается в:

•математических моделях формообразования винтовых зубьев на коническом инструменте, позволяющих установить взаимосвязь конструктивных и геометрических элементов с параметрами формообразующих движений;

•определении граничных значений конструктивных параметров в конструкции конического инструмента, за счет которых реализуется технологичность их изготовления;

«определении _ формы производящей инструментальной поверхности вращения , на основе воспроизведения траектории движения в процессе формообразования исходной винтовой поверхности на конусе;

•управлении формой профиля производящей поверхности вращения, за счет варьирования формой профиля конического инструмента и параметрами установки инструмента второго порядка.

Методика исследований. Достижение поставленной цели осуществлялось комплексным решением задач на основе аналитических методов расчета с использованием аппарата математического анализа, матричного исчисления, численных методов, теории математического программирования, математических методов обработки экспериментальных данных. Исследование конструктивных параметров инструмента и процесса формообразования проводилось с использованием разработанного программного обеспечения. Был проведен ряд практических экспериментов с использованием станочного оборудования.

Практическая пенность заключается в: конструировании инструмента с винтовыми зубьями на конусе с учетом технологии их изготовления; определении формы профиля производящей поверхности вращения для обработки винтовых конических поверхностей; замене теоретической формы профиля производящей поверхности вращения на более технологичную; рекомендациях по сокращению номенклатуры дискового инструмента; разработке расчетных программ, встраиваемых в общую систему САПР осевого инструмента.

Реализация работы. Основные результаты работы и программный продукт приняты к промышленному внедрению на ОАО "СТАНКОСИСТЕМА", АООТ " НИИД", АООТ"МАЖ", ОАО «ЗВИ». Кроме того, результаты работы используются в учебном процессе кафедрой «Инструментальная техника и компьютерное моделирование» МГТУ «СТАНКИН».

Апробация работы. Основные положения доложены и обсуждены на третьем международном конгрессе "Конструкторско-технологической информатики" г. Москва 1996 г., и заседаниях кафедры "ИТиКМ" МГТУ "СТАНКИН".

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 5 печатных работы.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложений. Материал изложен на ^/страницах машинописного текста, содержит .^рисунка, ...(?таблицы, приложений, списка литературы из 111 наименований. Общий объем работы страниц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы, и дается ее общая характеристика.

В первой главе дан анализ современного состояния проблемы, сформулированы цели и задачи исследования, приведен обзор основных работ в области конструирования и формообразования осевого инструмента: Воробьева В.М. [14], Семенченко И.И. [88], Грановского Г.И. [25,26], Родина П.Р. [81,82], Сахарова Г.Н. [87], Литвина Ф.Л [62], Люкшина B.C. [64], Цвиса Ю.В. [99], Дихтяря Ф.С. [37,38], Лашнева С.И. [54-61], Кирсанова Г.Н. [42,43], Гречиш-никова В.А. [27-34], Султанова Т.А. [92], Борисова А.Н. [56-58], Иноземцева Г.Г. [39], Климова В.И [41], Кудевицкого Я.В. [48], Романова В.Ф. [84], Цеп-кова A.B. [100,101], Шевченко H.A. [102], Юликова М.И. [59,111] и других. Из анализа литературы выявлено, что сложной и малоисследованной задачей остается формообразование винтовых поверхностей на конусе. Этот вопрос поднимался в работах: Гречишникова В.А., Хлудова С.Я.; авторских свидетельствах: Горбачева Н.И., Козлова И.Н., Исмагилова P.P., Розенблюма Г.И., Журавлева A.B., Колесова Н.В., Шнейдера С.А., Мурсалимова З.В., Гашимова Т.А и других. Однако, комплексное решение вопросов формообразования винтовых зубьев на конусе отсутствует. Это требует дальнейшего совершенствования методов конструирования и технологии их изготовления.

На основании обобщения и анализа литературных данных, а также производственного опыта сформулировано направление исследования.

Вторая глава посвящена конструированию винтовых зубьев на коническом инструменте. Винтовые зубья на конусе отличаются сложностью изготовления и увеличенными погрешностями. Это объясняется тем, что параметры поверхности, формирующие винтовой зуб на конусе, требуют изменения профиля обрабатывающего инструмента. Данное свойство характерно для поверхностей, не допускающих движения «самих по себе», т.е. их размеры и форма изменяются. Кроме того, с целью обеспечения размещения стружки, необходимо увеличивать глубину стружечной канавки , что требует изменения межосевого расстояния в процессе обработки. Получение постоянной ширины ленточки возможно только за счет дополнительного прохода. Обычно, идут на плавное увеличение ленточки от меньшего торца к большему, что значительно упрощает схему формообразования. Однако, при больших углах подъема конуса возникает опасность подреза ленточки к меньшему торцу. Передний угол уменьшается к большему диаметру и нередко принимает отрицательные значения, что негативно сказывается на процессе резания. Угол наклона винтовой канавки чаще принимают переменным, а шаг винтовой канавки - постоянным. В этом случае необходимо осуществлять доворот инструмента в процессе обработки, что увеличивает опасность подрезов.

Для конического инструмента одновременное соблюдение требований технологичности и обеспечения высокой работоспособности не всегда возможно. Поэтому окончательная конструкция такого инструмента - результат некоторого компромиссного решения, заключающегося в том , что на стадии проектирования разрабатывается идеальная модель его режущей части, оптимальная с точки зрения процесса резания. Затем разрабатывается технологиче-

ский процесс изготовления инструмента, исходя из условия минимизации отклонения от идеальной модели.

Движения У2, У3 и С0г (рис. 1) могут обеспечить требуемый профиль конического инструмента как на малом , так и на большом диаметре. Движение У2 вводится для улучшения геометрии, а именно для управления значениями переднего угла. Движение Уз обеспечивает переменную глубину стружечной канавки. Движение 0)2 вводится для обеспечения переменного угла наклона винтовой линии.

Уравнение винтовой поверхности на конусе можно представить в виде семейства образующих . В общем случае уравнение винтовой поверхности в параметрической форме имеет вид:

Х = (Ги«+$ ММ^ИКХ+Ф*)

¥ = (Г1И«+^((Р>))-С05(Ф«СХ+Ф1) (1)

= 20+(рв+£2(ф!))-ф;,

^(фО- приращение радиуса-вектора гшсх как функции от фь фшех- угловой параметр , определяющий положение радиуса-вектора

г, в исходном положении;

Г2(фО- приращение значения параметра винтовой поверхности как функции ОТ фь

2о- аппликата исходного положения г, Если в уравнении винтовой поверхности £2(ф,)=0 , то винтовая поверхность имеет постоянный шаг; если ^(Ф1)=0 , то винтовая поверхность располагается на цилиндре. В противном случае, поверхность характеризуется как винтовая поверхность переменного шага на конусе или какой-либо другой поверхности вращения. ■

Выполнив соответствующие подстановки в ур-нии (1), получаем систему уравнений , описывающую движение 1-ой точки по винтовой линии с постоянным шагом на конусе:

где

X =

у =

1 =

г,...

*де>,

Г |||ЛУ

-<р,?дч + г1и

+ 9,) + р,)

(2)

-<р,

Ф & /им

Для винтовой поверхности с переменным шагом ур-ние (1) примет вид:

ВиЗК

Рис. 1 Схема обработки конического инструмента.

У= - С05фц1сх + ф;1

2 =

Системы уравнений (2) и (3) позволяют воспроизвести винтовую поверхность на конусе.

Третья глава посвящена формообразованию винтовых зубьев на конусе.-Рассмотрим обобщенную схему обработки винтовой конической поверхности. В представленной технологической паре "инструмент - деталь" для наглядности процесса формообразования инструменту придано движение резания сор (рис. 1), а все формообразующие движения приложены к "детали" (с)], а>2, Уь У2,У3).

В процессе фрезерования винтовых канавок конического инструмента

имеют место следующие движения:

шр - вращение фрезы относительно своей оси (движение резания);

е>1 - вращение заготовки вокруг своей оси;

со2 - вращение вокруг вертикальной оси 0202 ;

V]- поступательное движение, обеспечивающее винтовое движение вместе со скоростью сог;

У2- дополнительное движение в горизонтальной плоскости заготовки; Уз- дополнительное движение в вертикальной плоскости заготовки. Движения VI и <»1 обеспечивают формирование винтовой поверхности с заданным шагом. При У1=сопз1 осевой шаг винтовой поверхности Р постоянен, но при этом изменяется угол наклона винтовой линии т. В этом случае необходимо менять угол скрещивания осей фрезы и заготовки с в процессе обработки . Изменение обеспечивается за счет вращения ш2 • На практике при малом Ат = т6 - тм ( где т6, тм - углы наклона винтовой линии на большем и меньшем торцах) движение доворота со2 не учитывают. Движение ©2 может осуществляться с помощью шаблона, закрепленного на столе. При движении У( стол упирается в укрепленный на станине винт и поворачивает нижний стол станка вместе с коническим инструментом.

Рассмотрим модель формообразования стружечной канавки конических инструментов одноугловой дисковой фрезой. Движение У2 отсутствует. Передний угол уменьшается от малого торца к большому.

Основными параметрами, характеризующими конический инструмент, являются:

Д,- минимальный диаметр конуса;

Рб- максимальный диаметр конуса; Ьк- длина рабочей части; Ъ- число зубьев.

В зависимости от обрабатываемого материала задаемся диапазоном значений переднего угла умах , уга;„ . Для решения задачи оптимального конструирования стружечной канавки оговорим граничные условия для любого сечения. /г,тш = 0.3 • Л,-

к =05-11

•юах *

Рдоп

где тт, тах - рекомендуемые границы высоты зуба;

Ршт -минимально необходимый угол тела зуба; Рлоп -минимально допустимый угол тела зуба из условия прочности; Пи -ширина ленточки зуба.; £ -угловой шаг зубьев; х -индекс рассматриваемого сечения.

Стабилизировать величину переднего угла вдоль всей режущей кромки можно с помощью введения в схему формообразования дополнительного движения Уг. Для моделирования стружечной канавки разработана расчетная схема.

Возможен вариант формообразования винтовой поверхности на конусе двухугловым дисковым инструментом. Угол впадины будет складываться из вл + вПР .

Рассмотрим вариант где движение У2 отсутствует. В этом случае имеем переменное значение переднего угла вдоль режущей кромки. Из расчетной схемы на рис.2 определяем геометрические параметры стружечной канавки.

Чтобы стабилизировать значение переднего угла вдоль всей режущей кромки введем движение У2 . Расчетная схема приведена на рис.3 Рассмотренные схемы: 1. вл = 0, = 0; 2. ^=0,^*0;

3. влФ0, Г2 = 0;

4. вл * 0,УгФ 0;

позволяют управлять геометрией режущего клина вдоль всей режущей кромки.

Система координат ХДУД2Д, жестко связана с обрабатываемой деталью и совершает все движения совместно с ней. Система координат ХИУИ2И жестко связана с дисковым инструментом. Для математического описания процесса формообразования необходимо, чтобы эти системы координат были функционально связаны между собой.

Рис. 2 Модель винтовой канавки при

Рис. 3 Модель винтовой канавки при в. Ф О, К & 0.

Л (.

Хи - [Хд -СОвр-Уд -бш^]-соз((^-п-<р) + + -со%ср + Хд -5т<р-К}-51пу~2д -соз^-вш(у/~п-ф\ + Т'

+

уи =\уд -со5(р+ хд ^%v\v-q + a^<p•) (4)

2И = Хд -[созр-С^-зшр-зшу-С,]-

-Уд -[соз^-Бту-С^ + зт<р-С^ + 2д -сову-С^ + С3 -зту-С4

где =

т = {а + р-<р)- Би^г - п-(р) + д-(р + е;

£) = н-я-СОЯУ ;

С^ = -(а + р-<р)-сх-е-с1 + в-с,; С4 = соб// • С, + эт// • с2;

с5 = созц-сг -

Система (4) позволяет описать траекторию движения каждой точки профиля изделия в процессе формообразования.

Аналитическую методику определения формы профиля дискового инструмента, основанную на условии отсутствия среза, целесообразно использовать для профилирования инструментов при сложной кинематике процесса формообразования. Это имеет место при обработке конических винтовых поверхностей, когда условие касания профилей не выдерживается или когда срезание профиля не допускается. Решать обратную задачу профилирования имеет смысл при условии отсутствия среза.

Дисковый инструмент представляем в виде семейства секущих плоскостей <3ь СЬ, 0; , перпендикулярных оси дискового инструмента. Профилю изделия сообщается такое винтовое движение относительно неподвижного дискового инструмента, которое он совершает в процессе формообразования винтовой канавки. В общем случае, такое движение складывается из следующих составляющих (рис 4):

Профиль детали в винтовом движении отпечатается в каждой секущей плоскости По условию отсутствия среза профиля радиус точки профиля дискового инструмента находится как кратчайшее расстояние до оси точек пересечения 1, 2, 3,...,] профиля детали с данной плоскостью СЬ. В зависимости от требуемой точности назначается количество секущих плоскостей. Положение каждой из плоскостей <3Ь СЬ, <3з,—, О; определяется координатой 2и=Н. Находя в каждой отдельной плоскости С>, радиус Я;, определяем профиль производящей поверхности инструмента.

У£=(С0,+ а2 + V! +У2 +У3).

Рис. 4 Воспроизведение винтового движения в процессе формообразования.

Графоаналитическая методика профилирования основана на проецировании траектории движения точек профиля изделия на осевую плоскость дискового инструмента, профиль которого находится как огибающая к семейству проекций.

Каждая точка профиля изделия описывает относительно инструмента траекторию в движении (ш1+ш2+ У2+ У3). Проекция каждой такой кривой на осевую плоскость, преобразуется в кривые Ль Лг, ...,Л,.....Если ко всем кривым Л можно провести огибающую ББ, то заданный профиль заготовки может быть получен без искажений в заданном сечении.

Таким образом, правильность формообразования винтовой поверхности можно контролировать на этапе профилирования дискового инструмента.

На стадии конструктивного поиска довольно эффективны методы приближённых оценок решения, из которых наиболее важным является визуальный анализ. Он позволяет предупредить грубые ошибки на этапах составления исходных данных о профиле изделия, профилирования и выбора рационального варианта.

В четвёртой главе определены основные критерии унификации дискового инструмента. За основу берется оптимизационно-поисковый принцип определения рациональной формы профиля дискового инструмента , параметров установки и обработки. Предложенная модель позволяет определить не только фасонный профиль дискового инструмента, обеспечивающий правильную обработку винтовой поверхности , но и произвести поиск возможности применения стандартного или имеющегося в наличии инструмента по критерию минимизации погрешности обработки. Это достигается оптимизацией параметров установки и варьированием формой профиля изделия в теоретически обоснованных пределах. Поиск решения осуществляется во всем диапазоне существования оптимизируемых параметров.

Для этого можно использовать методики определения профиля винтовой поверхности по известной производящей поверхности вращения. Так как эти методики разрабатывались для определения правильности формообразования винтовой поверхности, то задачи подбора формы и параметров установки являются нетипичными и требуют большой трудоемкости.

Форма профиля производящей поверхности вращения зависит от параметров установки, конструкции и геометрии винтовой поверхности, а также от габаритов дискового инструмента.

Традиционно изменение исходной формы профиля обрабатываемой детали применялось как вынужденная мера на стадии решения обратной задачи. В данной работе сознательно варьируются параметры исходной поверхности, используя резервы в конструкции, которые скрыты в том , что конструкция и область применения осевого инструмента позволяют изменять большую часть конструктивных размеров в определенных пределах. Кроме того, практически все параметры находятся в сложной взаимосвязи между собой, где каждый размер имеет свою область существования. Существующие теоретические основы этого проектирования недостаточно разработаны и характеризуются от-

сутствием общих расчетных зависимостей , позволяющих создать открытый для моделирования объект. __

Разработка параметрических моделей профилей осевого инструмента заключается в создании расчетных схем , открытых для оптимизационного поиска в сочетании с методикой профилирования. Варьируя одним или совокупностью параметров профиля , влияем на форму дискового инструмента , приближая ее к более технологичной.

Разработка инструмента рациональной конструкции возможна при условии использования методики проектирования , построенной с учетом системного подхода. В соответствии с ним конструкцию инструмента следует рассматривать как совокупность отдельных ее элементов (конструктивных и геометрических) , связи и размерные соотношения между которыми должны соответствовать области существования (рис.5). Наиболее полный учет внешних связей инструмента является залогом создания оптимальной конструкции. Поэтому на первой стадии проектирования основным является вопрос полного и правильного формирования банка исходных данных , характеризующих внешние связи инструмента, которые определяются служебным назначением инструмента, условиями его эксплуатации и характером изготовления, т.е. целой совокупностью факторов, влияющих и определяющих его конструкцию. В соответствии с этим, все исходные данные следует разделить на три группы:

• сведения о детали;

• сведения о конструкции инструмента;

• сведения об эксплуатации инструмента.

На основании анализа внешних и внутренних связей , имеющих место при проектировании осевого инструмента , разработаны правила наложения ограничений на оптимизируемые параметры изделия и условия обработки . На следующем этапе производится согласование основных и дополнительных исходных данных между собой и с системой ограничений. Если исходные данные и область существования конструктивных параметров совместимы, то накладываемые ими ограничения позволяют выделить из области существования одну или несколько зон, которые в дальнейшем будем называть областью С. Если область С существует в точке, то поставленная задача имеет единственно решение и является определенной. Если области С соответствует множество точек, то поставленная задача имеет множество возможных решений. В этом случае из множества конструктивных параметров, удовлетворяющих заданным условиям, следует выделить оптимальные.

После завершения работы расчетной программы профилирования, формируется графическое изображение результатов расчета, которое и выводится на дисплей. При решении задач конструирования или профилирования визуальный анализ объекта даёт возможность для интуитивного поиска рационального решения.

На стадии конструктивного поиска довольно эффективны методы приближённых оценок решения, наиболее важным из которых является визуальный анализ. Он позволяет предупредить грубые ошибки на этапах: составления

Рис. 6 Замена теоретического фасонного профиля на прямолинейный.

Рис. 7 Определение погрешности замены теоретического профиля на прямолинейный.

исходных данных о профиле изделия, профилирования и выбора рационального варианта.

В нашем случае, конструктору необходимо выбрать то сочетание конструктивных параметров, которое позволяет получить профиль изделия упрощенной формой инструмента второго порядка, состоящей из прямых и окружностей, максимально приближенной к теоретической.

С этой целью на экран дисплея выводятся две "плавающие линии" для левой и правой стороны профиля и окружность для сопряжения этих прямых (рис.6).

При замене теоретического профиля на отрезок прямой погрешность в ь ой точке составляет (рис. 7): Л =у -у •

^¡логр ^

если > ^к - то профиль изделия будет изготовлен с погрешностью,

величина которой кратна ^ .

Пятая глава посвящена решению конкретных задач с помощью разработанного программного обеспечения. Для проверки основных выводов и результатов работы был рассмотрен ряд практических задач, решенных с использованием разработанных методов.

Примеры выбирались с целью показа возможностей практического использования при выполнении инженерных разработок на новом, более высоком уровне и использовании на производстве результатов оптимизационного профилирования дискового инструмента для обработки винтовых зубьев на конусе.

Показана техника применения разработанных методик и всей системы в целом.

Общие выводы.

1. Анализ литературных, патентных и производственных источников позволяет констатировать , что проектирование инструментов с винтовыми зубьями на конусе и определение производящей поверхности вращения для их формообразования разработано и исследовано недостаточно.

2. Установлены функциональные связи между геометрическими параметрами режущей части конического инструмента. Это позволяет контролировать и управлять величиной переднего угла, шириной ленточки, глубиной канавки вдоль всей режущей кромки.

3. Конструкция конического инструмента представлена в виде параметрических моделей, открытых для оптимизационного поиска в сочетании с методикой профилирования производящей поверхности вращения. Это дает возможность, варьируя одним или совокупностью параметров профиля, воздействовать на форму дискового инструмента, приближая её к более технологичной.

4. Установлено, что спинка зуба конических концевых фрез спроектированная по параболе типа у =-а • х2 + с, где а <1, позволяет получить криволинейную форму спинки зуба по всей длине концевой фрезы с углом подъема конуса до 30°.

5. Выведена система уравнений, позволяющая воспроизвести траекторию движения точек профиля изделия в процессе формообразования. Это позволяет моделировать обработку винтовых поверхностей на конусе.

6. Разработаны методы определения производящей поверхности вращения для обработки винтовых поверхностей на конусе, которые позволяют определить возможность получения профиля винтовой конической поверхности без искажения в заданном сечении.

7. Разработана методика замены теоретического профиля производящей по-, верхности вращения на отрезки прямых и дуг окружностей. Определена относительная погрешность от аппроксимации, которая не должна превышать 10% от глубины стружечной канавки. Это позволяет контролировать погрешности формообразования вдоль всей режущей кромки винтового зуба на конусе.

8. На основе анализа факторов, влияющих на форму профиля дискового инструмента, разработана оптимизационно-поисковая система, позволяющая приближать форму профиля к более технологичной. Это достигается за счет оптимизации параметров установки и варьирования профилем изделия в теоретически обоснованных пределах. Использование системы позволяет унифицировать инструмент второго порядка.

9. Практическое использование результатов работы состоит в следующем:

9.1 Разработано алгоритмическое и программное обеспечения.

9.2 Даны рекомендации по конструированию концевых конических фрез с углом подъема конуса от 3° до 15° и их изготовлению одноугловыми дисковыми инструментами с углом профиля: 65°;70°; 75°.

9.3 Разработанная система проектирования внедрена: . ОАО "СТАЛКОСИСТЕМА"

. АООТ " НИИД" . АООГ'МАЯК" . ОАО «ЗВИ».

9.4 Разработанное программное обеспечение используется в учебном процессе кафедрой «Инструментальная техника и компьютерное моделирование» МГТУ «СТАНКИН».

Основные положения диссертации изложены в следующих

публикациях:

1 .Гречишников В.А., Андреевский Д.В., Григорьев C.B. Математическое и графическое моделирование сложных винтовых поверхностей на осевом режущем инструменте. В сб. тезисов к 3-му международному конгрессу

"Конструкторско-технологическая информатика, Москва, 1996, с.55.

2. Гречишников В.А., Григорьев C.B., Лукина C.B. Моделирование процесса изготовления инструмента с винтовыми зубьями на конусе с применением ЭВМ. В сб. тезисов международной НТК "Прогрессивные методы проектирования технологических процессов , металлорежущих станков и инструментов" , Тула, 1997, с.141.

3. Гречишников В.А., Григорьев C.B., Лукина C.B., Насонов Д.И. Технико-экономические аспекты повышения эффективности операций механообработки. В сб. тезисов международной НТК "Прогрессивные методы проектирования технологических процессов , металлорежущих станков и инструментов" , Тула, 1997, с.48.

4. Колесов Н.В., Андреевский Д.В., Григорьев C.B. Графоаналитическая модель сложных винтовых поверхностей. // СТИН, 1997,№6.

5. Гречишников В.А., Колесов Н.В., Петухов Ю.Е., Григорьев C.B. и др. Математическое моделирование в инструментальной технике / учебное пособие. - Пенза: Пензенский технологический институт, 1997. -226с.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

C.B. Григорьев

Формообразование винтовых зубьев на коническом инструменте

Сдано в набор Подписано в печать

Формат 60x90/16 Бумага 80 гр/м2

Объем 1,25 уч. - изд. л. Тираж 120 экз. Заказ №823

Издательство "Станкин" 101472, Москва, Вадковкий пер., 3А ПЛД № 53-227 от 09.02.96г.

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО

ЗНАМЕНИ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ "СТАНКИН"

На правах рукописи

Григорьев Сергей Валерьевич

УДК 621.9.025.61.001.66:681.3.068 (043.3)

ФОРМООБРАЗОВАНИЕ ВИНТОВЫХ ЗУБЬЕВ НА КОНИЧЕСКОМ ИНСТРУМЕНТЕ

Специальность 05.03.01. - Процессы механической и

физико-технической обработки, станки и инструмент.

ДИССЕРТАЦИЯ

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель - Заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Гречишников В.А.

Научный консультант - кандидат технических наук,

доцент Колесов Н.В.

Москва 1998г.

Содержание

стр.

Введение....................................................................................... 5

1. Обзор методов формообразования конических

инструментов с винтовыми поверхностями............................ 7

2. Конструирование конического инструмента с винтовыми зубьями............................................................................................ 26

2.1. Математическая модель винтовой поверхности на конусе..... 26

2.2. Кинематическая модель винтовой поверхности на конусе..... 43

2.3. Разработка расчетных схем профилей конического инструмента.................................................................................. 47

3. Формообразование винтовых зубьев на коническом инструменте.................................................................................. 93

3.1. Формообразование конической винтовой поверхности инструментом в форме тела вращения...................................... 93

3.2. Вывод управления траектории движения точек профиля винтовой поверхности на конусе в процессе

формообразования....................................................................... 99

3.3. Определение параметров установки инструмента второго порядка.......................................................................................... 108

3.4. Аналитическая методика определения профиля производящей поверхности вращения по исходной

винтовой конической поверхности............................................ 116

3.4.1. Аналитическая методика профилирования дискового инструмента для обработки винтовой конической

поверхности.................................................................................. 116

3.4.2. Подготовка исходных данных................................................... 119

3.4.3. Разработка расчетного модуля профилирования

аналитическим методом.............................................................. 124

3.5. Графоаналитическая методика определения профиля производящей поверхности вращения по исходной винтовой конической поверхности........................................... 136

3.5.1. Графоаналитическая методика профилирования дискового инструмента для обработки винтовой конической поверхности.................................................................................. 136

3.5.2. Разработка расчетного модуля профилирования графоаналитическим методом.................................................... 142

3.5.3. Формообразование профиля дискового

инструмента.................................................................................. 149

4. Определение оптимального варианта формообразования винтовых поверхностей на конусе............................................ 155

4.1. Разработка оптимизационной модели профилирования........ 155

4.2. Разработка методики оптимизационного варианта формообразования винтовой поверхности на

конусе............................................................................................ 157

4.3. Определение погрешности замены теоретического профиля

на прямолинейный....................................................................... 168

5. Практическая реализация методики формообразования конического инструмента........................................................... 172

5.1. Управление конструктивными и геометрическими параметрами конического инструмента.................................... 172

5.2. Определение точности профилирования графоаналитическим методом........................................................179

5.3. Формообразование винтовых стружечных канавок

концевых конических фрез......................................................... 189

5.4. Формообразование винтовой конической поверхности

дисковым инструментом с заданным профилем............................................192

Общие выводы по работе............................................................ 196

Список литературы............................................................................................................................................198

Приложение ...........................................................................................................................................208

ВВЕДЕНИЕ.

Для обработки различных деталей применяется фасонный осевой инструмент, из которого наиболее распространены конструкции с производящей поверхностью на конусе ( концевые конические фрезы, конические зенкера, конические развертки). Повышение их стойкости, качества , работоспособности и конкурентоспособности имеет большое значение. Важное место в поставленных задачах занимает совершенствование методов проектирования этих инструментов и процесса их формообразования.

Винтовые зубья на конусе отличаются сложностью изготовления и увеличенными погрешностями. Это объясняется тем, что формирование винтового зуба на конусе , требует изменение профиля обрабатывающего инструмента. Данное свойство характерно для поверхностей, не допускающих движения «самих по себе».

Существующие научные и производственные данные не позволяют комплексно управлять процессом формообразования винтовых канавок на конусе, в результате чего на производстве при изготовлении и переточке возникают серьезные технологические трудности, которые, в конечном счете, приводят к низкому качеству этого вида инструмента.

Для конического инструмента одновременное соблюдение требований технологичности и обеспечения высокой работоспособности инструмента не всегда возможно. Поэтому окончательная конструкция такого инструмента - результат некоторого компромиссного решения, заключающегося в том , что на стадии проектирования разрабатывается идеальная модель его режущей части, оптимальная с точки зрения процесса резания. А затем разрабатывается технологический процесс изготовления инструмента, исходя из условия минимизации отклонения от идеальной модели.

Существующие методики проектирования не в полностью используют конструктивные и технологические резервы, отсюда возникает необходимость разработки гибких параметрических моделей профиля конического инструмента. Кроме того, проблема выбора рациональной конструкции инструмента второго порядка является сложной и многоплановой задачей , требующей оптимизации многочисленных технологических и конструктивных параметров.

В настоящее время, одной из актуальных задач, стоящих перед производством, является сокращение номенклатуры инструмента второго порядка, что позволяет существенно снизить себестоимость изделия. Для предприятий, выпускающих концевой инструмент небольшими партиями , но большим типажом, проектирование под каждый типоразмер инструмента второго порядка оправданно при невозможности применения стандартного или имеющегося в наличии, а также при необходимости обеспечения повышенной точности обработки. И таких предприятий довольно много, это в первую очередь инструментальные цеха и заводы авиационной, автомобильной, станкостроительной и оборонной промышленности.

Работа состоит из 5 глав, в которых разработаны вопросы конструирования и производства конических инструментов, аппроксимации теоретического профиля инструмента второго порядка, формирования технологического профиля инструмента, определения схемы формообразования и параметров установки, определения относительной погрешности замены теоретического профиля на технологический, практической реализации методик расчета. Завершает работу основные выводы. В приложении приведены листинги разработанных программ для персональных компьютеров.

ГЛАВА 1. ОБЗОР МЕТОДОВ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ

КОНИЧЕСКИХ ИНСТРУМЕНТОВ С ВИНТОВЫМИ ЗУБЬЯМИ.

В современном машиностроении широкое применение получил концевой конический инструмент с режущими кромками на поверхности конуса. Наибольший объем применения такого инструмента составляют концевые конические фрезы для обработки трехмерных поверхностей формообразующих деталей штампов и прессформ. Однако, как показывает производственный опыт, применяемый на данной операциях инструмент, из-за низкого качества, во многом не отвечает требованиям автоматизированного производства. Низкая надежность концевых конических фрез в первую очередь определяется несовершенством его конструктивных и геометрических параметров из-за негативного взаимовлияния величины угла наклона режущей кромки и геометрии режущего зуба. Поэтому, на практике наибольшее распространение получили концевые конические фрезы с небольшим углом подъема спирали зуба.

Современные технологические возможности инструментального производства, обусловленные применением многокоординатных станков с ЧПУ, в т.ч. и шлифовальных, позволяют повысить качественные характеристики концевого конического инструмента путем создания более совершенных конструкций. Однако, практическое решение данной задачи связано с необходимостью проведения исследований путей и методов формообразования винтовых поверхностей режущих зубьев на современном технологическом оборудовании.

Проектированию и изготовлению режущих инструментов с винтовыми зубьями на цилиндре посвящено большое количество научных трудов, что говорит о актуальности этой проблемы в целом. Следует отметить следующие работы : Воробьева В.М. [14], Семенченко .И.[88], Грановского Г.И. [25,26], Родина П.Р. [81,82], Сахарова Г.Н. [87], Литвина Ф.Л [62], Люкшина B.C. [64], Цвиса Ю.В. [99], Дихтяря Ф.С. [37,38], Лашнева С.И. [54-61], Кирсанова Г.Н. [42,43], Гречишникова В.А. [27-34], Султанова Т.А. [92], Борисова А.Н. [56-58], Иноземцева Г.Г. [39], Климова В.И [41], Кудевицкого Я.В. [48], Романова В.Ф. [84], Цепкова A.B. [100,101], Шевченко H.A. [102], Юликова М.И. [59,111] и других.

В теории проектирования режущих инструментов известно множество методов профилирования дисковых инструментов для обработки винтовых цилиндрических поверхностей. Все их многообразие можно разделить на три группы: графические , графоаналитические и аналитические.

Графические методы в настоящее время в машиностроении не применяются из-за большой трудоемкости и низкой точности. Графоаналитические методы , где объем чертежных работ уменьшился за счет аналитического выполнения ряда операций, в связи с развитием графических пакетов, могут в дальнейшем найти широкое применение на практике. Аналитические методы профилирования основаны на положениях теории винтовых поверхностей [64], дифференциальной геометрии [14], теории зубчатых зацеплении [62] и аффинных преобразований [77].

Методики решения задач профилирования и используемый при этом аппарат отличаются большим разнообразием. К основным методам профилирования можно отнести следующие:

• метод касательных, основанный на нахождении сечений инструмента , касательных к сечениям обрабатываемой поверхности изделия [37,47,54,59];

• метод нормалей , основанный на нахождении положения общих нормалей в точках касания поверхностей инструмента и изделия [17,42,62,82,84];

• метод совмещенных сечений или метод кругового проецирования , основанный на нахождении огибающей к семейству кривых, полученных круговым проецированием ряда сечений винтовой поверхности изделия или семейства составляющих ее винтовых линий на осевую плоскость дискового инструмента [27];

• метод профилирования по пространственным кривым [92];

• метод минимальных расстояний или точный численный метод

[111];

• аффинный метод , основанный на дискретном представлении пространства , частью которого является изделие и обрабатывающий его инструмент, форма профиля которого получается с помощью отображения аффинного пространства и операторов логической разности [76,106,107].

Каждый из этих методов в определенных случаях имеет свои преимущества и недостатки. Методы профилирования , основанные на поиске общих касательных или нормалей , имеют высокую точность, однако, если невозможно построить общую касательную ( или нормаль), то нельзя определить полный профиль дискового инструмента. Методы совмещенных сечений и минимальных расстояний дают возможность получить профиль инструмента без подреза обрабатываемой поверхности. Метод профилирования по пространственным кривым разработан для конкретной задачи - профилирование инструментов для обработки резьб.

При конструировании винтовой поверхности на коническом инструменте возможны три варианта сочетания параметров:

а) винтовая поверхность имеет постоянный шаг винтовой линии стружечной канавки и переменный угол наклона режущей кромки;

б) винтовая поверхность имеет переменный шаг винтовой линии стружечной канавки при постоянном угле наклона режущей кромки;

винтовая поверхность имеет переменный шаг винтовои линии стружечной канавки и переменный угол наклона режущей кромки;

В обоих случаях, режущая кромка является направляющей. Поверхность режущей части формируется как поверхность , которая не допускает движения ' самой по себе'.

В работе [7] описан способ фрезерования винтовых поверхностей изделий с нецилиндрической сердцевиной, позволяющий улучшить геометрию режущего зуба. Суть способа заключается в том, что заготовке (рис. 1.1) сообщают дополнительное поступательное движение в плоскости, параллельной оси дискового инструмента. За образующую передней поверхности принята линия её контакта с производящей поверхностью двухугловой фрезы, а направляющей передней поверхности является траектория движения дисковой фрезы. Производящая поверхность

вращения выполнена в форме круглого цилиндра или части сферы.

В автомобилестроении для обработки отверстий под коническую резьбу изготавливают развертки и зенкера с винтовыми зубьями. Фрезерование ведется на универсально-фрезерных станках одноугловой фрезой, такая схема обработки приведена в работе [2]. Суть метода заключается в том , что заготовке (рис. 1.2) , кроме винтового движения , сообщается дополнительное вращательное движение , которое изменяет угол скрещивания осей в соответствии с изменением угла наклона винтовых зубьев.

Рис. 1.1. Способ управления величиной переднего угла за сч дополнительного смещения дискового инструмента У2 горизонтальной плоскости.

/

1.2. Способ формообразования передней поверхности конических инструментов с переменным углом наклона винтовых зубьев за счет изменения угла скрещивания осей.

В работе [3] описан способ обработки передних поверхностей конических инструментов с постоянными передними углами вдоль режущей кромки. С целью обеспечения постоянства передних углов, инструменту сообщают дополнительное вращательное движение в плоскости, нормальной к передней поверхности обрабатываемого конического инструмента (рис. 1.3). Установку инструмента относительно заготовки , закрепленной в центрах делительной головки , на заданные величины угла наклона винтовой линии, переднего угла У и глубину стружечной канавки на торце, производят разворотом оси дискового инструмента и смещением стола на величины Е и Н. Заготовке сообщают винтовое и поступательное движение в вертикальной плоскости, а инструменту сообщают дополнительное вращательное движение в плоскости, нормальной к передней поверхности винтового зуба заготовки. При этом, профиль дискового инструмента смещается относительно заготовки так, что при изменении глубины стружечной канавки передний угол винтового зуба остаётся постоянным.

С целью повышения точности конических инструментов с увеличенными углами наклона зубьев со, может быть применён способ, представленный в работе [4]. Суть этого способа заключается в том, что шлифовальный круг разворачивают относительно изделия, располагая его коническую образующую под некоторым углом, отличным от угла образующей затачиваемой поверхности. Шлифовальный круг предварительно устанавливают так, чтобы его ось располагалась в плоскости, перпендикулярной к винтовой линии передней поверхности на среднем диаметре, а образующая дискового инструмента совпадала с радиальной образующей передней поверхности изделия. Затем, круг поворачивают вокруг оси, перпендикулярной к винтовой линии и проходящей через неё, на угол Р до тех пор, пока производящая

Рис. 1.3. Способ управления величиной переднего угла за счет дополнительного разворота дискового инструмента.

поверхность круга не коснется винтовой линии, лежащей на максимальном диаметре изделия.

Известен способ [5] обработки конических винтовых поверхностей, при котором дисковому инструменту и заготовке сообщают вращение и относительное перемещение вдоль оси заготовки, согласованное с отводом инструмента от заготовки и его поворотом. Поворот инструмента осуществляется вокруг своей оси, которая составляет с образующей инструмента угол, равный переднему углу заготовки и пересекает её в точке, отстоящей от кромки инструмента на некотором расстоянии.

Известен способ [8], суть которого заключается в том, что отвод инструмента осуществляется поворотом его относительно оси, проходящей через центр дуги окружности, аппрокс