автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Повышение точности обработки каналовой винтовой поверхности на основе модификации проекционного метода профилирования

Введение

Глава 1. Анализ методов профилирования инструмента для обработки винтовой поверхности детали, цели и задачи работы

1.1 Детали с винтовыми поверхностями их назначение, области применения, методы формообразования

1.1.1 Конструктивные особенности деталей с каналовой винтовой поверхностью

1.1.2 Методы формообразования винтовых поверхностей

1.2 Методы определения профиля образующей исходной инструментальной поверхности для расчета и проектирования режущего инструмента

1.2.1 Метод общих нормалей

1.2.2 Метод общих касательных

1.2.3 Метод совмещенных сечений

1.2.4 Методы определения огибающей семейства кривых

1.3 Цели и задачи работы

Глава 2. Определение образующей профиля исходной инструментальной поверхности для обработки каналовой винтовой поверхности детали

2.1 Последовательность определения профиля образующей исходной инструментальной поверхности

2.1.1 Математическое описание и расчет номинального профиля каналовой винтовой поверхности

2.2 Элементы теории каналовых винтовых поверхностей.

2.3 Построение номинальных профилей торцового и осевого сечений винта рулевого управления

2.4 Решение задачи определения профиля исходной инструментальной поверхности

2.4.1 Определение диапазона решения задачи профилирования

2.4.2 Определение круговых проекций винтовых линий на осевую плоскость инструмента

2.4.3 Определение огибающей семейства кривых 57 2.5Алгоритм расчета геометрических и конструктивных параметров режущего инструмента

В настоящее время усиливается тенденция к использованию изделий, содержащих винтовые поверхности, обработка которых производится на универсальных станках и с числовым программным управлением фрезами (дисковыми, концевыми, червячными и т.д.). К изделиям с винтовой поверхностью относятся режущий инструмент с винтовой стружечной канавкой, шариковинтовые пары качения используемые в различных машинах. Формообразование винтовой поверхности этих деталей может производится различными способами. Наибольшее распространенно в производстве формообразование методом огибания, когда обработка винтовой поверхности детали осуществляется фрезерованием, шлифованием фасонными фрезами или кругами. В этом случае профиль инструментальной поверхности и винтовой поверхности детали различны, что требует использования методики профилирования для его расчета. Существующие методики профилирования исходной инструментальной поверхности разработаны неполностью для случая винтовой поверхности образующую которой, невозможно описать одним аналитическим выражением. В результате применяющийся на производстве инструмент, не позволяет получить заданные геометрические формы винтовой поверхности.

Решение задачи профилирования с использованием моделирования процесса, позволяет найти необходимый вариант исходной инструментальной поверхности для обработки составной каналовой поверхности, повысить точность и эффективность процесса обработки винтовой поверхности детали и является одной из актуальных.

Работа состоит из введения, четырех глав, основных выводов и приложений.

В первой главе выполнен обзор научно-технической литературы и патентов, их анализ, исходя из которого поставлена цель выполненной работы, задачи для ее реализации и научная новизна.

Во второй главе получена математическая модель каналовой винтовой поверхности, имеющая составную образующую, являющаяся основой при определении теоретического профиля исходной инструментальной поверхности. Разработана методика определения профиля исходной инструментальной поверхности.

Третья глава посвящена теоретическим основам компьютерного моделирования процесса обработки винтовой поверхности детали дисковой фрезой. Рассматривается логическая модель структуры и содержания технологической операции, систематизированы признаки способа формообразования винтовой поверхности фрезерованием.

В четвертой главе представлены материалы по реализации теоретических и экспериментальных исследований.

Научную новизну автор видит в:

1. Математической модели формообразования сложной винтовой поверхности, образующую которой невозможно выразить одним аналитическим выражением, получить круговые или винтовые проекции в аналитическом виде с устранением снижения точности расчета от дискретности вводимых сечений.

2. Определении огибающей семейства кривых с заданной точностью, заключающаяся в построении дуг окружностей к круговым или винтовым проекциям.

3. Систематизации признаков способа формообразования, позволяющей учесть аттестационные погрешности компонентов технологической системы при выполнении формообразующей операции.

Практическую значимость диссертационной работы представляют разработанные, экспериментально проверенные и внедренные алгоритмы, а также программы расчета профиля образующей исходной инструментальной поверхности вращения при обработке каналовой винтовой поверхности с составной образующей; методика математического моделирования процесса обработки каналовой винтовой поверхности с учетом погрешностей вносимых компонентами технологической системы; методика определения огибающей семейства кривых путем аппроксимации семейства дугами окружности.

Основные положения диссертации были апробированы и доложены на различных международных, всероссийских и межвузовских научно-технических и научно-практических конференциях: МНТК «Механика машиностроения» (г. Набережные челны 1997); пятая МНТК «Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века» (г. Донецк 1998); на XVIII Российской школы по проблемам проектирования неоднородных конструкций (г. Миасс 1999); Юбилейная НТК «Перспективы развития автомобилей и двигателей в Республике Татарстан» (Набережные Челны 1999); ВНТК «Большая нефть: реалии, проблемы, перспективы» (Альметьевск 2001); на МНПК «Автоматизация и информационные технологии» (г. Набережные Челны 2002); на XXII Российской школы по проблемам проектирования неоднородных конструкций (г. Миасс 2002).

В полном объеме диссертация докладывалась на заседаниях кафедр: "Технология производства двигателей" Казанского государственного технического университета им. А.Н.Туполева, "Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты" Камского государственного политехнического института (г. Набережные Челны).

Работа выполнялась с 1997 по 2003 гг. под руководством доктора технических наук, профессора Юнусова Файзрахмана Салаховича и кандидата технических наук, доцента кафедры "ТМ, МС и И" КамПИ Абызова Анатолия Петровича на кафедре "Технология производства двигателей" Казанского государственного технического университета имени А.Н. Туполева и на кафедре "Технология машиностроения, металлорежущие станки и инструменты" Камского государственного политехнического института.

Неоценимую помощь при выполнении работы оказал доцент кафедры "ТМ, МС и И" КамПИ, кандидат технических наук Чемборисов Наиль Анваро-вич. Автор приносит ему свою глубокую благодарность.

Основные выводы

1. Математический аппарат, построенный на основе теории винтовых поверхностей позволяет описать модель каналовой винтовой поверхности с составной образующей и сформировать исходные данные для профилирования исходной инструментальной поверхности.

2. Решение задачи определения профиля образующей исходной инструментальной поверхности возможно на основе полученной аналитической зависимости, описывающей круговое проецирование винтовых линий, на осевую плоскость режущего инструмента.

3. Разработанная схема винтового проецирования, позволяет получить аналитические выражения винтовой проекций дуги окружности исходной инструментальной поверхности на осевую плоскость детали.

4. Совокупность логической схемы возникновения погрешностей на этапе выполнения операции и полученного графа вариантов сочетания их предельных значений дает возможность проведения компьютерного моделирования формообразующей операции.

5. Разработанный алгоритм поиска точек огибающей к семейству круговых или винтовых проекций, позволяет определить их с заданной точностью.

6. Компьютерное моделирование механического процесса формообразования винтовой поверхности дорожки качения винта рулевого управления, выполненное с учетом аттестационных погрешностей, вносимых технологической системой, позволило установить, что точность обработки дорожки качения винта рассчитанным теоретическим профилем на фрезерном станке НескеП соответствует допуску на операцию фрезерования, что подтверждено результатами эксперимента.

1. Абызов А.П., Чемборисов H.A., Юнусов Ф.С., Ступко В.Б. Выбор режущего инструмента при технологическом проектировании. //XXII Российская школа по проблемам науки и технологий. Тезисы докладов. Миасс: МНУЦ, 2002, с. 75.

2. Беляев В.Г. Основы теории, расчет и исследование винтовых механизмов качения металлорежущих станков. Авторферат дис. докт. техн. наук, М.: Мосстанкин, 1979. 40 с.

3. Борисов А.Н. Автоматизация решения вопросов формообразования винтовых поверхностей дисковыми инструментами. Автореферат дис. канд. техн. наук, Тула: ТПИ, 1982. 18 с.

4. Борисов А.Н. Геометрическая теория автоматизированного проектирования металлорежущих инструментов: Автореферат дис. докт. техн. наук, Тула, 1993. 39 с.

5. Баранчиков В.И. Справочник конструктора-инструментальщика. -М.: Машиностроение, 1994. 560 с.

6. Волков А.Э. Компьютерное моделирование процессов формообразования поверхностей резанием//Конструкторско-технологическая информатика -2000: Труды конгресса. В 2-х т.т./IV Международный конгресс. М.: Изд-во "Станкин", 2000

7. Воробьев В.М. Профилирование фрез для изделий с винтовыми канавками. Автореферат дис. канд. техн. наук, М.: Мосстанкин, 1950. 17 с.

8. Гаврилов Ю.В. Аналитическое исследование формообразования винтовых канавок дисковыми инструментами. Автореферат дис. канд. техн. наук, Челябинск: ЧПИ, 1975. 20 с.

9. Гречишников В.А. Автоматизированное проектирование режущего инструмента как средство сокращенного его расхода. //"Станки и инструменты" № 2, 1988

10. Гречишников В.А. Профилирование инструмента для обработки винтовых поверхностей деталей по методу совмещенных сечений. М.: Мос-станкин, 1979. 27 с.

11. Гречишников В.А., Кирсанов Г.Н. Проектирование дискового инструмента для обработки винтовых поверхностей. //"Машиностроитель", 1978, № 10.

12. Гречишников В.А., Кирсанов Г.Н., Катаев A.B. и др. Автоматизированное проектирование металлорежущего инструмента, М.: Мосстанкин, 1984

13. Гречишников В.А. Повышение эффективности проектирования и эксплуатации инструмента для механообработки на основе системного моделирования. Автореферат дис. докт. техн. наук, М.: Мосстанкин, 1989. 40 с.

14. Гречишников В.А., Юнусов Ф.С., Чемборисов H.A. Формирование информационно-поисковой системы инструментального обеспечения автоматизированного производства и проектирование САПР РИ. М.: Машиностроение, 2000, 223 с.

15. Григорьев C.B. Формообразование винтовых зубьев на коническом инструменте. Автореферат дис. канд. техн. наук, М.: МГТУ "Станкин", 1998. 20 с.

16. Дихтярь Ф.С. Профилирование металлорежущих инструментов (фрез, шеверов, шлифовальных кругов, зуборезных гребенок, долбяков, резцов и летучек). М.: Машиностроение, 1965.

17. Дружинский И.А. Методы обработки сложных поверхностей на металлорежущих станках. M.-JL: Машиностроение, 1965

18. Илюхин С.Ю. Каркасно-кинематический метод моделирования формообразования поверхностей деталей машин дисковым инструментом. Автореферат дис. докт. техн. наук, Тула, 2002. 41 с.

19. Иноземцев Г.Г. Проектирование металлорежущих инструментов. М.: Машиностроение, 1984. 272 с.

20. Касьянов C.B., Чемборисов H.A. Формализация признаков способа формообразования поверхностей деталей при обработке резанием. //"Автоматизация технологических и производственных процессов": Сборник научных трудов Н. Челны: КамПИ, 1993. с. 39 - 43

21. Катаев A.B. Автоматизация конструирования сложных инструментальных поверхностей. //"Станки и инструменты", № 7, 1989

22. Косов М.Г. Моделирование точности технологического оборудования на основе имитационной контактной задачи. //Конструкторско-технологическая информатика 2000: Труды конгресса. В 2-х т.т./IV Международный конгресс. - М.: Изд-во "Станкин", 2000

23. Кирсанов Т.Н. Проектирование инструментов. Кинематические методы. М.: Мосстанкин, 1978, 69 с.

24. Кирсанов Т.Н. и др. Руководство по курсовому проектированию металлорежущего инструмента, М.: Машиностроение, 1986

25. Кирсанов Г.Н. Математическое моделирование материалообрабаты-вающих инструментов как основа их систематики и САПР. //"Конструкторско-технологическая информатика КТИ-96".: Труды 3-го Международного конгресса. - М. МГТУ "Станкин", 1996 - 71 с.

26. Кирсанов Г.Н. Проектирование методом винтов сложных инструментов для механообработки. Дис. докт. техн. наук. М.: Мосстанкин, 1985

27. Клауч Д.Н., Овумян Г.Г., Монин В.А. Способ обработки винтовой поверхности. Патент СССР № 1703293. Официальный бюллетень комитета РФ по патентам и товарным знакам № 1 от 07.01.92

28. Колесов Н.В., Шнейдер С.А. Способ фрезерования спиральных зубьев конусных инструментов. A.c. СССР № 742049

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

30. Колчин Н.И. Аналитический расчет плоских и пространственных зацеплений, М.: Машгиз, 1949

31. Кондратьев С.Б. Технология изготовления винтовых пар качения. М., Машиностроение, 1972. 32 с.

32. Копф И.А. Способ обработки винтовой поверхности. A.c. СССР № 707702.

33. Котельников А.П. Теория винтов и комплексные числа.// Некоторые приложения идей Лобачевского в механике и физике. Сборник трудов М.: Гостехиздат, 1950. 47 с.

34. Кудевицкий Я.В. Фасонные фрезы. Д.: Машиностроение, 1978. 176 с.

35. Краснова Н.В. Кинематика формообразования криволинейных поверхностей методом сопряженно-профильной обкатки. //"Механика машино-строения-95": Тезисы докладов МНТК Н. Челны: КамПИ, 1995

36. Красюк С.И. Расчет параметров настройки станка при фрезеровании стружечных канавок. //"Станки и инструмент", № 6, 1988

37. Кристофидес Н. Теория графов. Алгоритмический подход. М.: "Мир", 1981

38. Лазебник И.С. Метод исследования зацеплений и формообразования поверхностей. //"Станки и инструменты", № 10, 1987

39. Ласточкин С.С. Проектирование дискового инструмента для винтовых поверхностей деталей в автоматизированном поисковом режиме. Автореферат дис. канд. техн. наук. М.: Мосстанкин, 1984. 20 с.

40. Лашнев С.И., Юликов М.И. Проектирование режущей части инструмента с применением ЭВМ, М.: Машиностроение, 1980. 208 с.

41. Лашнев С.И., Борисов А.Н. Геометрическая модель формирования поверхностей режущими инструментами. //"СТИН", № 4, 1995.

42. Лашнев С.И., Климаков С.И., Веденеев Г.А., Заболотский В.Н., Юликов В.М. Способ обработки винтовых поверхностей постоянного шага на изделиях с нецилиндрической сердцевиной. A.c. СССР № 1261752

43. Литвин Ф.Л. Теория зубчатых зацеплений. М.: "Наука"., 1968.

44. Люкшин B.C. Теория огибающей семейства поверхностей, М, 1963.

45. Люкшин B.C. Теория винтовых поверхностей в проектировании режущих инструментов. М.: Машиностроение, 1968. 168 с.

46. Маргулис Д.К., Штраус В.А., Гаврилов Ю.В. Расчет профиля дискового инструмента для обработки винтовых поверхностей. //"Станки и инструменты", № 1, 1976

47. Маталин A.A. Технология механической обработки. Л.: Машиностроение, 1985. 496 с.

48. Нефф Г.И. Способ нарезания спиральных канавок. А.с СССР № 1741981, ИСМ, № 19, 1992

49. Овсеенко А.Н. Технологические проблемы обеспечения качества изделий машиностроения. //"Конструкторско-технологическая информатика

50. КТИ-2000".: Труды 4-го Международного конгресса. М. МГТУ "Стан-"Станкин", 2000.

51. Овум5гн Г.Г., Моннн В.А. Способ обработки винтовых поверхностей общего вида. A.c. СССР № 1703293, ИСМ № 7з 1992

52. Палей М.М. Технология и автоматизация инструментального производства: Учебник для втузов. Волгоград: Машиностроение, 1995

53. Петров С.М. Формирование конических винтовых поверхностей деталей дисковым инструментом с использованием математического моделирования. Дисс. канд. техн. наук, Казань, КГТУ им. Туполева А.Н., 2001, 121 с.

54. Петухов Ю.Е. Проектирование производящей инструментальной и исходной поверхности на основе методов машинного моделирования. Автореферат дис. канд. техн. наук, М.: Мосстанкин, 1985. 18 с.

55. Перепелица Б.А. Отображения аффинного пространства в теории формообразования поверхностей резанием. Харьков: "Вища школа", 1981

56. Радзевич С.П. Формообразование сложных поверхностей на станках с ЧПУ. Киев: "Вища школа", 1991

57. Решетов Д.Н., Портман В.Т. Точность металлорежущих станков М.: Машиностроение, 1986. -336 с.

58. Родин П.Р. Основы проектирования режущих инструментов. Киев: "Вища школа", 1990

59. Романов В.Ф. Расчет пальцевых и дисковых фрез для обработки винтовых поверхностей. //"Станки и инструменты", № 5, 1988

60. Сахаров Г.Н. и др., Металлорежущие инструменты, М.: Машиностроение, 1989

61. Смирнов В.И. Курс высшей математики. Т. 3, ч. 1, М.: ГИТТЛ, 1949

62. Сморкалов H.B. Исследование процесса зубошлифования долбяков червячными кругами. Дис. канд. техн. наук, М.: Мосстанкин, 1980. 125 с.

63. Соловьев С.И. Назначение полей допусков на расчетные параметры сложного режущего инструмента. //Конструкторско-технологическая информатика 2000: Труды конгресса. В 2-х т.т./IV Международный конгресс. - М.: Изд-во "Станкин", 2000

64. Тарасов А.П. Фасонные фрезы с оптимальными параметрами режущей части. Дис. канд. техн. наук, М.: Мосстанкин, 1988, 265 с.

65. Тимковский В.Г. Дискретная математика в мире станков и деталей. М.: "Наука", 1992

66. Цепков А.В, Перевозников В.И., Николаев В.Ю. Оптимизация параметров установки инструментов обрабатывающих винтовые стружечные канавки. //"Станки и инструменты" № 6, 1990.

67. Цепков A.B. Профилирование затылованных инструментов, М.: Машиностроение, 1979. 150 с.

68. Цвис Ю.В. Профилирование режущего обкатного инструмента., М.: Машгиз, 1961.

69. Цветков В.Д. Теория и методы автоматизированного проектирования технологических процессов. //"Совершенствование процессов финишной обработки в машино- и приборостроении, экология и защита окружающей среды": Тезисы докладов МНТК Минск: Кибер, 1995

70. Чарнко Д.В. Основы выбора технологического процесса механической обработки, М.: Машгиз, 1963, 316 с.

71. Чемборисов H.A. Компьютерное моделирование винтовых поверхностей общего вида. //"Научный потенциал Вузов программе "Конверсия"":

72. Тезисы докладов Всероссийской НТК Казань: КГТУ им А.Н.Туполева, 1993, с. 84.

73. Чемборисов H.A. Повышение эффективности обработки деталей с винтовой поверхностью за счет комплексного моделирования инструмента и технологической операции. Дис. канд. техн. наук. М.: МГТУ "СТАН-КИН", 1994,330 с.

74. Чемборисов H.A. Компьютерное моделирование винтовых поверхностей. //"Совершенствование процессов финишной обработки в машино- и приборостроении, экология и защита окружающей среды": Тезисы докладов МНТК Минск: Кибер, 1995. С. 155

75. Чемборисов H.A. Влияние погрешностей технологической системы при обработке винтовой поверхности изделия. //Вторая Республиканская научная конференция молодых ученых и специалистов: Тезисы докладов -Казань: КГТУ им. А.Н.Туполева, 1996. С. 57

76. Чемборисов H.A., Ступко В.Б. Автоматизированная система выбора дискового режущего инструмента для обработки сложных поверхностей. //Механика машиностроения: Тезисы докладов МНТК Н. Челны: Кам-ПИ, 1997. С. 104

77. Чемборисов H.A., Юнусов Ф.С. Повышение эффективности инструмента для обработки сложных поверхностей на базе математического моделирования. //Монография. Казань - Н. Челны: Издательство КГТУ им. Туполева А.Н. - КамПИ, 1998. 179 с.

78. Чемборисов H.A. Применение средств компьютерного моделирования в прогнозировании микрогеометрии обработанной поверхности. //Информационные технологии в инновационных проектах. Труды МНТК. Ижевск: Изд-во Механического завода, 2000. С.96-98

79. Чемборисов Н.А, Савин И.А. Перспективы развития обработки резанием на основе моделирования процессов формообразования. //Технический ВУЗ наука, образование и производство в регионе. Материалы ВНТК -Тольятти: ТГУ, 2001. С. 58-60

80. Чемборисов H.A. Модуль имитации обработки сложной поверхности детали режущим инструментом как часть системы поискового проектиро-вания.//ИТО № 6, 2002. С. 17

81. Чемборисов H.A. Систематизация признаков способа формообразования. //СТИН № 8, 2002. С. 32-35

82. Шевелева Г.И. Алгоритм численного расчета обрабатываемой поверхности //Станки и инструменты. -М.: 1969 № 8.

83. Шевелева Г.И. Теория формообразования и контакта движущихся тел. -М.: Изд-во "Станкин", 1999. 494 с.

84. Шейнин Б.Г., Бобков М.Н., Лахов A.C. Способ обработки винтовых канавой переменного шаг и сечения на телах вращения. A.c. № 1745435 СССР, ИСМ № 19, 1992

85. Щегольков H.H. Итерационное профилирование дискового инструмента для обработки винтовых поверхностей с использованием метода общих нормалей. //"Станки и инструменты", № 6, 1991

86. Щегольков H.H. Автоматизированный расчет параметров установки дисковой канавочной фрезы с заданной точностью. //"СТИН", № 4, 1993

87. Щегольков H.H. Компьютерный расчет нормального профиля винтовых стружечных канавок концевых фрез. //"СТИН", № 2, 1995

88. Щегольков H.H. Разработка методов компьютерного профилирования фасонных режущих инструментов на основе принципа итераций. Автореферат дис. докт. техн. наук, М.: МГТУ "Станкин", 1997. 39 с.

89. Щегольков H.H. Технологическая модификация профиля стружечных канавок спиральных сверл. //"СТИН" № 12, 2000.

90. Щуров И.А. Расчет профиля дискового инструмента для обработки винтовой поверхности. //"СТИН" № 1, 1996

91. Юнусов Ф.С. Формообразование сложнопрофильных поверхностей шлифованием. М.: Машиностроение, 1987

92. Юнусов Ф.С., Чемборисов H.A., Ступко В.Б. Решение задачи формообразования сложных поверхностей изделия инструментом дискового типа. //"Машиностроение и техносфера на рубеже XXI века": Материалы V МНТК Донецк: ДонГТУ, 1998. С. 297-300.

93. Юнусов Ф.С., Вахитов У.С. К вопросу математического моделирования процессов формообразования сложных поверхностей, обрабатываемых на станках с программным управлением. Казань, Труды КАИ, 1972, вып. 141

94. Юликов М.И., Горбунов Б.И., Колесов Н.В. Проектирование и производство режущего инструмента, М.: Машиностроение, 1987

95. Юликов М.И. Система проектирования режущего инструмента М.: Издательство ВЗМИ, 1989. 77 с.

96. Юликов М.И., Колесов H.B. Расчет на ЭВМ установочных параметров абразивного круга при шлифовании червячных фрез. //"Обработка материалов резанием". Межвузовский сборник научных трудов, М., 1976

97. Ящерицын П.И, Еременко M.JI, Жигалко Н.И. Основы резания материалов и режущий инструмент. "Вышэйшая школа", Минск, 1981. 560 с.

98. Распечатка расчета точек исходного нормального сечения

99. Распечатка расчета точек торцового сечения дорожки качения винта

100. Распечатка расчета точек осевого сечения дорожки качения винта

101. Рапечатка результатов моделирования