автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Проектирование сборных фасонных фрез для обработки наружного РК-профиля

003055214

На правах рукописи

ШИТИКОВ АЛЕКСАНДР НИКОЛАЕВИЧ

ПРОЕКТИРОВАНИЕ СБОРНЫХ ФАСОННЫХ ФРЕЗ ДЛЯ ОБРАБОТКИ НАРУЖНОГО РК-ПРОФИЛЯ

Специальность 05 03 01 - «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки»

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Тула 2007

003055214

Работа выполнена на кафедре «Машиностроительные технологии и оборудование» Курского государственного технического университета

Научный руководитель

доктор технических наук, профессор Емельянов Сергей Геннадьевич

Официальные оппоненты

доктор технических наук, профессор Протасьев Виктор Борисович кандидат технических наук, доцент Коськин Александр Васильевич

Ведущая организация -

Московский государственный технологический университет «Станкин»

Защита состоится января 2007 г в час на заседании диссертацион-

ного совета Д 212 271 01 при ГОУ ВПО «Тульский государственный университет» (300600, г Тула, ГСП, проспект им Ленина, д 92,9-101)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ГОУ ВПО «Тульский государственный университет»

Автореферат разослан «6 » декабря 2006 г

Ученый секретарь диссертационного совета

А Б Орлов

КРАТКАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Наибольшее распространение среди профильных соединений получили шлицевыс и шпоночные В связи с увеличением требований к такого рода соединениям был разработан профиль с равноосным контуром (РК-профиль) РК-профильные валы имеют более высокую несущую способность, чем шлицевые, к тому же, в валах с РК-профилем исключается концентрация напряжений РК-профильные соединения имеют высокий КПД, что способствует уменьшению расхода энергии при передаче крутящего момента РК-профильные соединения предназначены для передачи крутящего момента сопряженными поверхностями деталей машин, режущих и вспомогательных инструментов

В нашей стране развитием РК-профильных соединений, процессами их формообразования занимались Л С Борович, Р Г Гулмутдинов, А И Тимченко, С Н Лапин и многие другие

Вследствие трудности изготовления РК-профиля, последний не получил должного распространения К настоящему времени разработано множество способов получения РК-профильных соединений Однако данные способы не могут обеспечить удовлетворительной производительности из-за сложной кинематики оборудования, которая снижает режимы резания Повысить производительность получения РК-профильных валов можно фрезерованием, как одним из производительных способов обработки Кинематика фрезерования позволяет эффективно использовать режущие свойства металлокерамики и тому подобных материалов Однако проектирование фасонных фрез является сложной технико-экономической проблемой Этой проблемы можно избежать применяя фасонные фрезы, оснащенные СМП

Следовательно, создание методики проектирования сборных фасонных фрез для обработки РК-профильных валов является на сегодняшний день актуальной научной задачей

Цель работы. Повышение производительности обработки валов с равноосным контуром сборными фасонными фрезами с твердосплавными СМП Для достижения указанной цели в работе были поставлены и решены следующие задачи

1 Разработать методику проектирования сборных фасонных фрез для обработки наружного РК-профиля

2 Разработать геометрическую модель конструкции сборных фасонных фрез, включающую методику расчета пространственной установки СМП на корпусе фрезы с обеспечением заданных численных значений углов вдоль режущей кромки СМП

3 Получить зависимости для оценки параметров срезаемых слоев обработанной поверхности

4 Создать систему конструкторско-технологической подготовки производства, позволяющую в диалоговом режиме спроектировать сборную фасонную фрезу, произвести оценку проектируемого инструмента путем

численного моделирования его работы, а также оценку шероховатости обрабатываемой поверхности 5 Использовать результаты теоретических исследований в промышленности

Методы исследования. Исследования основаны на базе фундаментальных положений геометрической теории формирования поверхностей режущими инструментами, с использованием аппарата дифференциальной геометрии и векторно-матричного анализа, интерактивного поиска технических решений, методах математического и компьютерного программирования и средств компьютерной графики, а также методологии структурного анализа и проектирования БАОТ

Основные научные результаты:

1 Теоретические исследования формирования наружной РК-профильной кривой сборными фасонными фрезами

2 Математическая модель формирования наружного РК-профиля сборными фасонными фрезами

3 Алгоритмы и разработанные на их основе программы, образующие систему проектирования сборных фасонных фрез для обработки РК-профильных валов

4 Полученные, в результате компьютерного моделирования процесса работы сборной фасонной фрезы значения оценочных характеристик

Научная новизна заключается в научном обосновании технических решений по обеспечению повышения производительности обработки валов с равноосным контуром путем разработки метода проектирования фасонных фрез с СМП на базе геометрической теории формирования поверхностей режущими инструментами, включающего методику построения геометрической модели конструкции сборных фасонных фрез, методику расчета кинематических углов вдоль режущих кромок и методику определения величин искажения обработанной поверхности Практическая ценность. Практическая ценность данной работы состоит

в разработанной с использованием методологии ГОЕРО структуры математической модели проектирования сборных фасонных фрез для обработки РК-профильных валов,

в разработанных программных средствах проектирования сборных фасонных фрез для обработки РК-профильных валов Практическая реализация.

Реализация работы проведена на ОАО «Геомаш» г Щигры, Курской области

Апробация работы. Основные положения работы были доложены и обсуждены на 6-й Международной научно-технической конференции (Харьков, 2002), на 1-й Международной научно-технической конференции «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (Курск, 2003), на 6-й Международной конференции «Оптико-электронные приборы и устройства в системах распознавания образов, обра-

ботки изображений и символьной информации» (Курск, 2003), на 2-й Международной научно-технической конференции «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (Курск, 2004), на 3-ей Международной научно-технической конференции «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (Курск, 2005)

Публикации. По материалам проведенных исследований опубликовано 10 работ

Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 51 наименования и приложений Работа содержит 167 страниц машинного текста, 89 рисунков и 22 таблиц

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе кратко изложена история появления РК-профильных соединений Обоснована эффективность использования данного вида соединений в промышленности по сравнению со шлицевыми и шпоночными соединениями

РК-профильные валы (рис 1) имеют более высокую несущую способность, чем шли-цевые

Проведен краткий анализ существующих способов формообразования РК-профильных валов (рис 2) копирная обработка, обработка при помощи безвершинного косоугольного резца, обработка цилиндрическими и специальными торцевыми фрезами, Рис 1 РК-профильный вал шлифование, протягивание плоскими протяжками

Для данных способов формообразования выявлен ряд недостатков

- сложность кинематики процесса,

- большое количество согласованных движений,

- потребность в дополнительных механизмах и модернизации оборудования

В работе предлагается для получения РК-профильных валов использовать фасонное фрезерование (см рис 3) При фасонном фрезеровании движениями формообразования являются главное движение фрезы ) -

движение вращения, движение подачи (£>) - прямолинейное движение (задается либо фрезе, либо обрабатываемой заготовке), делительное движение подачи (£>„.2)

В)

Рис 2 Способы образования наружного РК-профиля при точении (а), фрезеровании (б) и протягивании (в)

Получение РК-профиля достигается поворотом заготовки после обработки одной стороны профильного вала, на угол, равный 360°/и, где п — число граней РК-профильного вала

Обоснована целесообразность использования сборных фасонных фрез с СМП, приведены преимущества инструментов с СМП по сравнению с цельными и на-пайными Кратко проанализированы существующие конструкции узлов крепления СМП, где выявлены достоинства и недостатки представленных конструкций

Рис

3 Схема фрезерования РК-профильного трехгранного вала

Назначен статус каждого параметра и тем самым определен вид задачи формообразования, выявлены параметры модели сборных фасонных фрез, позволяющие создать формулу инструмента, связывающую параметры номинальной поверхности фрезы, параметры движений инструмента Определены цели, задачи и перечень теоретических вопросов, решаемых при автоматизированном проектировании сборных фасонных фрез с СМП

Во второй главе приводятся основные положения математической модели проектирования сборных фасонных фрез, предназначенных для обработки РК-профильных валов, разработанные на основе геометрической теории формирования поверхностей с использованием методологии структурного анализа и проектирования БАОТ Наибольшее распространение идеи ЯЛЭТ получили под названием ЮЕКО Использование стандарта ГОЕРО позволило представить структуру процесса проектирования в виде четырех основных этапов (рис 4)

{Исходные дачные}

Математическое описание производящих поверхностей фасонных фрез А1

{Графовые моде м проектирования сборных фасонных фрез}

{Параметры

, щих поверхностей}

{Графовые моде чи конструкции сборных фасонных фрез)

Разработка конструкции корпуса сборных фасонных фрез Л2

- {Параметры конструкции корпуса}

Оценка параметров корп}1' са сборных фасонных фрез АЗ

{Оценочные параметры корпуса}

{Оценочные параметры срезаемых слоев}

>

Подготовка

пакета управляющих программ дгя станка с ЧПУ А4

{Пакет управляющих программ}

Результаты прщесса проектирования сборных фасонных фрез

Рис 4 Структура процесса проектирования сборных фасонных фрез для обработки РК-профильиых валов

Этап математического описания производящих поверхностей фасонных фрез (блок А1, рис 4) позволяет математически представить обрабатываемую поверхность детали, а затем и производящую поверхность проектируемого инструмента

Исходными данными для этапа математического описания производящих поверхностей являются геометрические параметры формируемой поверхности, значения оценочных характеристик детали, которые необходимо достичь при обработке

Этап математического описания производящих поверхностей фасонных фрез включает в себя следующую последовательность задач (рис 5)

1. Определение параметров обрабатываемой поверхности (блок All, рис 5) Решение данной задачи заключается в расчете по конструктивным параметрам РК-профиля параметров и координат опорных точек данной кривой, по которым, в свою очередь, производится расчет параметров дискретного представления образующей РК-профильного вала

Отметим, что РК-профиль задан набором следующих конструктивных параметров (см рис 1) радиусом средней окружности R, эксцентриситетом е (для РК-профилей е <\R\!\n2 -1]) и количеством граней п Параметрические уравнения кривой РК-профиля имеют следующий вид

(х = [7?-ecos(n <p)]cos(<p) - п esin(« <p)sin(^>),

[jj = [/? — есоч(п 9>)]sin(y>) + n esm(w <p) cos(^)

T

(Пара метры вала}

Определение параметров обрабатываемой поверхности А1 1

7

К Уч D4"Jd)

Описание образую шей и направляющей производящей поверхности А1 2

J-

{оф\

Выбор и установка С МП относительно производящей поверхности инструмента А1 3

г{КОД,ук ак rk Lk щ rj2i}

,{МН сМн»D акФкЧ>}

Параметры упроизво-дящих поверхностей

<*Чс> {Q^Q^O^.Q^} ' 1—

{S„VH, Л fmim rmax)

Расчет траекторий точек режущих кромок СМП в процессе фрезерования А1 4

А

<Из<0)

Рис 5 Структура математического описания производящих поверхностей фасонных фрез

Дискретное представление РК-профилей включает множество точек (/) на участке (¡\и ~([\к, для каждой из которых в системе координат ХЛТЛ2Л рассчитывается картеж параметров

где хА], уА] - координаты _/-й точки, аА] - профильный угол, рЛ] - радиус кривизны, яЛ] - длина дугиу-го участка профиля, — число точек дискретного представления

2. Описание образующей и направляющей производящей поверхности (блок А1 2, рис 5) Решение данной задачи позволяет дискретно представить производящую поверхность проектируемой фрезы

Дискретное представление профиля образующей производящей поверхности фрезы заключается в расчете параметров образующей производящей поверхности в системе координат Хо0оУд

{XDJ > Уй] > ' > РО)' •*£)/ ^у=Г70 ' где .7л - количество точек на производящей линии С помощью кубической сплайн-интерполяции рассчитаны функции

{ГО )■ Г0,в ), Од ), СГд (), рв Од )}

3. Выбор и установка СМП относительно производящей поверхности инструмента (блок А1 3, рис 5) При решении данной задачи определяется тип и конструктивные параметры СМП, их дискретное представление, а также параметры ориентации СМП относительно производящей поверхности сборной фасонной фрезы Каждая СМП характеризуется формой, передним упк и задним апк углами, толщиной ¿V, радиусом скругления вершины гк, расстоянием от центра СМП до ее вершины Ьк, половиной угла при вершине (или углами г]2к и т]к для несимметричных пластин), которые выбираются в соответствии с ГОСТами либо рассчитываются на основании приведенных в них параметров Для выбранных СМП с заданными размерами рассчитываются параметры дискретного представления их режущих кромок

> Л/ > Г<Ь > > >' ^ ПЬ > N ¡а, к,, Щь, , ^ ,

где - векторы нормали к передней и задней по-

верхностям и производные от этих векторов

СМП устанавливаются относительно своей дискретно представленной образующей производящей поверхности, исходя из условий контакта ее у-й точки и гарантированных значений трех углов в точке контакта переднего угла ур угла наклона режущей кромки 1р главного угла в плане (р) В результате рассчитываются матрицы перехода между образующими производящей поверхности фрезы и СМП МВк

Распределить производящие линии по диаметру инструмента можно различными вариантами с равномерным или переменным шагом С целью облегчения процесса распределения, принято условие, что СМП вдоль производящей линии установлены с равным шагом, а ряды производящих линий равномерно смещены друг относительно друга вдоль производящей поверхности С учетом того, что каждая производящая линия реализуется одной СМП, рассчитан кр-и набор матриц установки производящей линии относительно производящей поверхности А/св Поставив в соответствие каждой

кр-й матрице из набора -{1/Сг, ] _ ~ _ матрицу установки кр-й СМП

кр Р=1.Гк 1=\,К

Мрк относительно производящей линии, получили матрицу установки МИк с = Мсо, А'/я, каждой СМП относительно производящей поверхности

4 Расчет траекторий точек режущих кромок СМП в процессе фрезерования (блок А1 4, рис 5) При решении данной задачи моделируется процесс фрезерования проектируемым инструментом, что позволяет, изменяя

лишь один из параметров движений фрезы при фиксированных значениях других, получить соответствующую ему поверхность

Поверхность, описываемая режущими кромками СМП фрезы в процессе обработки поверхности РК-профильного вала рассчитана по формуле

а^ь'/СШ01=»И*») мсв{к\1г«)лМ- авЫШОЬ Мвя

- % - ^та*. к-1,К

где хк - длина дуги к-й режущей кромки СМП, ^(я*) - радиус вектор к-й режущей кромки СМП, МНк с — матрица перехода от системы координат X УНк 2.,^ кр-й режущей кромки к системе координат ХС¥С2С производящей поверхности инструмента, равна Мн с = Щ\рн1р мсо^ '

Мсв{с][[1^(1)л5(1)\, (7), ?..(/)]} - матрица перехода от системы

координат инструмента в его исходной установке перед началом обработки к системе координат ХВУВ2В вала с учетом всех выполненных фрезой и валом движений (сокращенно Мсв(1)),

МШ{ — матрица перехода от системы координат X ВУВ7.В вала к системе координат ХрУр7ч{ схемы срезания припуска

Далее рассчитаны следующие необходимые производные

1) Производная поверхности резания по длине дуги

вкрЧ [^/(ОЛСО]^, (**) Мц1гС мсв{1) Мт, где гъ ) - радиус вектор производной к-й режущей кромки СМП по длине дуги

2) Производная по параметру главного движения /у

в 1ч, 1/(0:',(01=(ч) мНкрС ^ХУа?,, М/СШО) а,(ол«)| мВ1г'

где Мсв - производная матрицы Мсв по ее J-щ параметру установки,

Цр — производная /-го параметра установки по параметру главного движения

3) Производная по параметру движения подачи ^ \^Мсвь М/-СШ0) ,д6«/ОН«))] Мвп

где - производная у-го параметра установки по параметру движения подачи

Производная по времени, характеризующая суммарный вектор скоростей всех движений

окр1 ,(Ол «)] = 0кр1/[-4.'/ 0).(01 Г/Ю + ё*,, [**,'/<<).',(01 Уг(о

Расчет этих формул связан с последовательным определением их составляющих

Моделирование процесса фрезерования (см блок А1 4, рис 5) связано с расчетом шести параметров установки {дД/ДО, ,'л{0]. ><?б['/('), .'л{')]} переменной во времени матрицы Мсв{Ц][Ь(0. .'л{0]. .Чг{1/(0, >'л{')]} (в сокращенной форме Мсв{0), перехода от системы координат инструмента (ХсУс'/с) к системе координат вала {XВ¥В2В), с учетом параметров всех осуществляемых ими движений {'„(0}„=Гл7 (Р11С 6) Помимо расчета матрицы МСвО) необходимо знать производные (/)} _— по всем шести параметрам ее установки, а также знать < —" !• производных параметров

I &) „=1Л

движений по времени

Третья глава диссертации посвящена конструированию сборных фасонных фрез, предназначенных для обработки РК-профильных валов (блок А2, рис 4) Этап разработки конструкции корпуса сборных фасонных фрез позволяет определить конструкцию проектируемой фрезы со всеми конструктивными элементами, параметры станка и приспособления 2-го порядка (рис 7) Выбрав схему узла крепления СМП, например, клиновое крепление СМП со стороны передней поверхности, реализуем математическую модель конструирования фрезы через граф конструкции фрезы, который включает множество узлов, таких как корпус фрезы, СМП, запирающие клинья СМП, дифференциальные винты

обработке РК-профилыюго вала

Рис 7 Структура разработки корпуса сборных фасонных фрез

На начальном этапе конструкция сборной фасонной фрезы рассмотрена как сборочная единица, где определена взаимосвязь между корпусом фрезы, СМП, клиньями и винтами Для реализации выше изложенного построен граф элементов конструкции сборной фасонной фрезы Каждому конструктивному элементу проектируемого инструмента присвоена собственная система координат (рис 8)

Рис 8 Граф конструкции сборной фасонной фрезы, предназначенной для обработки наружного РК-профиля

Пластины (XУНк ZЯ( ) зажимаются в пазах корпуса запирающими клиньями УМк ZAÍJ ) Сами запирающие клинья фиксируются в корп}се при помощи дифференциальных винтов ) (рис 9)

Учитывая требования к координации крепежных элементов пластин, каждый запирающий клин, с установленным относительно него зажимным дифференциальным винтом, координируется относительно СМП Следова-

тельно, положения крепежных элементов кр-й СМП корпуса относительно него, запишутся в виде матриц

для клина -МШкр = МР1иМНкрЫкр,

для дифференциального винта - М= ММм1р^м1ры1р

В результате, назначив геометрические параметры установки режущей пластины, ориентируем ее в корпусе проектируемого инструмента, располагая нужное количество пластин по диаметру фрезы в определенном положении с заданными углами резания После этого относительно пластины в корпусе фрезы устанавливаем клин и фиксируем его дифференциальным винтом

Z.р

Рис 9 Конструкция сборной фасонной фрезы для обработки РК-профильных валов

Следующий этап оценки параметров корпуса сборных фасонных фрез (блок A3, рис 4) позволяет определить возможность достижения проектируемым инструментом соответствующих оценочных параметров РК-профильного вала Моделируя процесс обработки, выполняем расчет оценочных параметров срезаемых слоев для различных СМП akp{sk,t), b(t),

l(sk), S„a„(t), S„pod(sk), Vcp „ (толщины, ширины, длины, площади поперечного и продольного сечения, объема) (блок A3 1, рис 10), определяем параметры остаточных гребешков на поверхности детали SzTj,RzTj (блок A3 2,

рис 10), рассчитываем изменения углов вдоль режущих кромок СМП уу(г),а7(<),Яу(0> (переднего, заднего и угла наклона режущей кромки) (блок АЗ 3, рис 10)

Рис 10 Структура оценки параметров корпуса сборных фасонных фрез

Выходные данные этапа оценки параметров корпуса сборных фасонных фрез поступают на этап подготовки пакета управляющих программ для

В четвёртой главе рассмотрен пример использования созданной системы автоматизированного проектирования сборных фасонных фрез для обработки валов с равноосным контуром В качестве исходных данных для проектирования является эскиз детали, а именно РК-профильного вала с заданными геометрическими параметрами (рис 11) РК - 3 - 36/?8/1,25/г8, требуемая шероховатость поверхности - Яа = 3,2 мкм В качестве материала заготовки принята конструкционная углеродистая сталь 45, материал СМП-Т15К6

Представим дискретно производящую линию и производящую поверхность проектируемого инструмента, относительно которой будут ориентироваться СМП Зададим средний диаметр производящей поверхности проектируемой фрезы равным 200 мм — После определения производящей по-Рис 12 Параметры СМП верхности инструмента необходимо выбрать тип СМП В данном случае, для

станков с ЧПУ (блок А4, рис 4)

Рис 11 Эскиз РК-профильного трехгранного вала

упрощения процесса проектирования, выбраны одинаковые СМП квадратной формы (см рис 12)

Установлено необходимое (в данном случае - 16) количество сменных многогранных пластин с одинаковыми параметрами относительно производящей линии проектируемой фрезы (рис 13)

16-яСМП Проял«ляшая лииия 1 я СМП

Количество СМП на производящей линии выбрано исходя из необходимости получения допускаемого искажения профиля обрабатываемой детали, что определяется при оценке параметров модели сборной фасонной фрезы (рис 14)

Распределение СМП по производящей поверхности фрезы принято с условием СМП вдоль производящей поверхности распределены с равномерным шагом, число рядов производящий линий принято равным 2 Результат распределения СМП представлен на рисунке 15

Рис 14 Диаграмма искажений профиля в торцевом сечении

Рис 15 Распределение СМП по производящей поверхности проектируемой фрезы

СМП ориентированы относительно производящей поверхности исходя из значений, приведенных в таблице I

Таблица 1

№ СМП № точки установки У уст Яуст>° (Руст,0

1 3 -5 5 145

2 6 -5 5 137,5

3 9 -5 5 130

4 12 -5 5 122,5

5 15 -5 5 115

6 18 -5 5 107,5

7 21 -5 5 100

8 24 -5 5 92,5

9 27 -5 -5 85

10 30 -5 -5 77,5

11 33 -5 -5 70

12 36 -5 -5 62,5

13 39 -5 -5 55

14 42 -5 -5 47,5

15 45 -5 -5 40

16 48 -5 -5 32,5

Для оценки работы проектируемой фасонной фрезы назначены режимы резания при фрезеровании заготовки (вала) из конструкционной углеродистой стали 45 5ЛШН = 500 мм/об, частота вращения N = 300 об/мин Оценка проектируемой сборной фасонной фрезы проведена в процессе численного моделирования ее работы

- по направлению векторов производных главного движения,

— по направлению векторов производных движения подач,

- по направлению векторов производных по времени,

— по направлению векторов производных по режущей кромке

Схема срезания припуска, описываемая переменными вдоль режущей кромки и во времени толщиной, шириной и длиной, определена при помощи решения задачи нахождения режущей кромки внутри припуска

Управляя исходными данными, можно получить рациональные значения оценочных параметров

Конструкция корпуса проектируемой фрезы, элементы конструкции, принципы их ориентирования друг относительно друга и относительно дискретно представленной производящей поверхности детально изложены в главе 3

Время, с

'Точка 24 Точка 25 Точка 26

-5 002

Время, с

-Точка 25 -Точка 26

Рис 16 Диаграммы изменений углов резания вдоль режущей кромки восьмой СМП

0142 0 144 0 146 0 148 0 15 0 152 0 154

Время, с

30

5 0

22 24 26 28 30

Точки СМП

28 30

Точки СМП

Рис 17 Диаграммы изменений параметров срезаемых слоев

2

I.B

0

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 Номера СМП

0,6 ■ J-------------------

0,6 ——--,-.-■ ■ ........

о io го эо '

Точки профиля

Рис. 18, Изменение объёма срезаемого слоя

Рис. 19. Изменение параметра Rz

Дм проектирования корпуса сборной фасонной фрезы использованы данные, полученные в главе 4 {см. рис. 16-19), Последовательно вводя упомянутые выше результаты расчетов в спроектированную систему, получен

корпус инструмента (рис.

1. В рамках геометрической теории формирования поверхностей разработан метод проектирования сборных фасонных фрез с определением величин искажения обрабатываемой поверхности, а также геометрическая модель конструкции сборных фасон ныл фрез, которая включает: методику расчета пространственной установки СМП на корпусе фрезы с обеспечением заданных значений углов вдоль режущей кромки СМП и определением точек режущих кромок, находящихся внутри припуска.

2. Получены зависимости, которые дают возможность оценки параметров срезаемых слоев (длины, ширины, площадей продольного и поперечного сечения, объёма), а также шероховатости обработанной поверхности.

3. Созданная на основе разработанной математической модели система ко нструкторско-техно логической подготовки производства, позволяет в диалоговом режиме спроектировать сборную фасонную фрезу, произвести

20). По результатам проведенных расчетов разработанная система автоматизированного проектирования осуществляет построение модели корпуса фрезы с вносимыми в пего изменениями, что позволяет визуально представить проектируемый инструмент, а также определить возможные ошибки и своевременно их устранить.

Рис. 20. Схема сборной фасонной фрезы для обработки РК-профильных валов

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

3101310131403101

оценку проектируемого инструмента путем численного моделирования его работы, а также оценку шероховатосш обрабатываемой поверхности, обладает возможностью вносить требуемые изменения в процессе проектирования (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005612124 от 19 08 2005)

4 Патент на полезную модель конструкции сборной фасонной фрезы для обработки валов с равноосным контуром подтверждает новизну и практическую полезность разработки

5 Применение сборных фасонных фрез для обработки РК-профильных валов позволяет

- использовать для получения РК-профильных валов одного из производительных способов обработки - фрезерования,

- получать РК-профильные валы, используя в качестве движений формообразования - главное вращательное, прямолинейное движение подачи, делительное движение подачи

По результатам НИР «Разработка средств автоматизированного проектирования и изготовления сборных фасонных фрез, предназначенных для обработки валов с равноосным контуром», выполненной на ОАО «Геомаш» город Щигры, Курской области, ожидаемый годовой экономический эффект составил 235 тысяч рублей

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ ОТРАЖЕНО В РАБОТАХ

1 Емельянов С Г, Куц В В , Шитиков А H Фасонное фрезерование как один из способов получения РК-профильных валов//Труды 6-й Международной науч -техн конференции Харьков, 2002 - с 114-116

2 Емельянов С Г, Куц В В , Шитиков А H Графовые модели проектирования сборных фасонных фрез для обработки РК-профильных ва-лов//Материалы I Международной научно-технической конференции, Курск гос техн ун-т Курск, 2003 - с 88-91

3 Гориздра В В , Шитиков А H Автоматизация проектирования конструкции сборных фрез для обработки РК-профильных валов//Сб мат-лов 6-й Меищ конф В 2-х ч Ч 2, Курск гос техн ун-т Курск, 2003- с 329-330

4 Емельянов С Г, Куц В В , Шитиков А H Моделирование движения фрезы и вала с равноосным контуром//Материалы II Международной научно-технической конференции, Курск гос техн ун-т Курск, 2004 - с 147151

5 Шитиков А H Анализ методов изготовления РК-профильных ва-лов//Приборы и системы Управление, контроль, диагностика 2005 № 4, с 54-56

6 Емельянов С Г , Куц В В , Шитиков А H Графы конструирования сборных фасонных фрез, предназначенных для обработки РК-профильных валов//Материалы III Международной научно-технической конференции, Курск гос техн ун-т Курск, 2005 - с 58-61

7 Емельянов С Г, Куц В В , Шитиков А H Установка СМП относительно производящей поверхности фрезьг, предназначенной для обработки РК-профильных валов//Материалы III Международной научно-технической конференции / Курск гос техн ун-т. Курск, 2005 - с 62-65

8 Куц В В , Шитиков А H Модель проектирования сборных фасонных фрез для обработки РК-профильных валов в рамках методологии ГОЕР//Материалы III Международной научно-технической конференции, Курск гос техн ун-т Курск,2005-с 127-131

9 Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ № 2005612124 Проектирование сборных фасонных фрез для обработки валов с равноосным контуром/ А H Шитиков, В В Куц (РФ) Заявл 21 06 2005, опубл 19 08 2005

10 Патент РФ № 51358, МПК В23С5/12, В23С5/20 Фреза сборная фасонная для обработки валов с равноосным контуром/ АН Шитиков, В В Куц, С Г Емельянов (РФ) Заявл 21 06 2005, опубл 10 02 2006, Бюл №4

Формат60х84 1/16 Бумага Айсберг Объем 1,0 уел печ л Гарнитура Тайчс Тираж 100 экз Заказ № 346

Издательство МУ «Издательский центр «ЮМЭКС», 305000, г Курск, ул Володарского 44а Лицензия ИД № 04804 от 21 05 2001 г

Отпечатано ПБОЮЛ Киселева О В ОГРН 304463202600213

Введение

1. Анализ состояния вопроса.

1.1. История развития РК-профильных соединений.

1.1.1. Геометрические параметры, характеризующие РК-профильные кривые.

1.1.2. Примеры эффективного применения РК-профильных соединений.

1.2. Анализ основных процессов формообразования и методов получения РК-профильных валов.

1.2.1. Процесс формообразования РК-профильных поверхностей по принципу Р. Мюсиля.

1.2.2. Процесс формообразования РК-профильных поверхностей по принципу JI.C. Боровича.

1.2.3. Процесс формообразования РК-профильных поверхностей по принципу Р. Гулмутдинова.

1.2.4. Копирная обработка РК-профильных валов.

1.2.5. Процесс формообразования РК-профильных валов при помощи безвершинного косоугольного резца.

1.2.6. Фрезерование РК-профильных валов.

1.2.7. Шлифование РК-профильных валов.

1.2.8. Протягивание РК-профильных валов.

1.3. Обоснование эффективности и актуальности применения сборных фасонных фрез.

1.4. Краткий анализ типовых конструкций узла крепления СМП в сборных фасонных фрезах.

1.5. Формула режущего инструмента.

1.6. Цель и задачи работы.

1.7. Выводы.

2. Математическая модель проектирования сборных фасонных фрез, предназначенных для обработки РК-профильных валов.,

2.1. Графовая модель проектирования и изготовления сборных фасонных фрез для обработки РК-профильных валов.

2.1.1. Линейные преобразования координат.

2.1.2. Граф проектирования сборных фасонных фрез для обработки РК-профильных валов.

2.2. Дискретное представление поверхностей.

2.2.1. Образующая исходной поверхности.

2.2.2. Дискретное представление образующей РК-профильного вала.

2.2.3. Дискретное представление производящей поверхности фрезы.

2.3. Поверхность, описываемая режущими кромками.

2.4. Дискретное представление СМП.

2.5. Установка СМП относительно производящей поверхности (линии) фрезы.

2.6. Распределение производящих линий вдоль производящей поверхности.

2.7. Расчет траекторий точек режущих кромок СМП в процессе фрезерования.

2.8. Оценка режущих свойств проектируемой фрезы.

2.8.1. Размеры срезаемых слоев.

2.8.2 Размеры остаточных слоёв.

2.8.3. Параметры лезвия.

2.9. Выводы.

3. Математическая модель конструирования и изготовления сборной фасонной фрезы.

3.1. Граф конструкции сборной фасонной фрезы, предназначенной для обработки РК-профильных валов.

3.1.1 Граф конструкции корпуса сборной фасонной фрезы для обработки РК-профильных валов.

3.1.2. Определение параметров корпуса сборной фасонной фрезы.

3.2. Установка пазов под СМП в корпусе сборной фасонной фрезы.

3.3. Параметры запирающего клина.

3.4. Расчёт матриц установки паза под запирающий клин CMI7.

3.5. Расчёт матрицы установки стружечной канавки в корпусе фрезы, предназначенной для обработки РК-профильных валов.

3.6. Установка отверстия для крепления клина.

3.7. Наладка станков для обработки корпусов сборных фасонных фрез.

3.8. Выводы.

4. Пример использования системы автоматизированного проектирования сборных фасонных фрез, предназначенных для обработки РК-профильных валов.

4.1. Исходные данные для проектирования фасонных фрез.

4.2. Дискретное представление производящей поверхности РК-профильного вала и производящей поверхности проектируемой фрезы.

4.3. Установка СМП относительно производящей поверхности.

4.4. Оценка проектируемой сборной фасонной фрезы.

4.5. Проектирование конструкции корпуса сборной фасонной фрезы для обработки РК-профильных валов.

4.6. Выводы.

Появление новых конструкционных материалов, а также новых инструментальных материалов ставит вопрос о создании новых конструкций металлорежущего инструмента. Особенно это касается вопросов проектирования сборного металлорежущего инструмента, предназначенного для обработки поверхностей, имеющих сложную форму. Данные инструменты имеют достаточно трудоемкую конструкцию.

К инструментам такого типа относятся сборные фасонные фрезы, предназначенные для обработки РК-профильных валов. Процесс проектирования данных фрез включает решение ряда вопросов, связанных с их конструкцией, изготовлением и эксплуатацией. Таких инструментов пока не существует. Производители подобных инструментов в отечественной промышленности либо осуществляют покупку готовых технологий, либо пользуются методами автоматизированного проектирования, которые по своей сути являются упрощенными схемами решения отдельных инженерных задач.

Современное инструментальное производство требует решение вопросов конструирования, изготовления и эксплуатации металлорежущего инструмента в едином комплексе, для чего необходима разработка новых методов расчета, позволяющих на стадии проектирования решать задачи изготовления инструмента и прогнозирования его работоспособности. Решение подобных задач требует высокой степени математической формализации методов проектирования и максимальной унификации решения отдельных задач проектирования. Внедрение подобных методов проектирования позволит обеспечить: сокращение сроков разработки, возможность выбора наиболее рациональной конструкции, повышение эксплуатационных качеств инструмента, сокращение материальных и энергетических затрат путем численного моделирования работы инструмента, объединения расчетных программ и управляющих программ для станков с ЧПУ.

Проведение подобных разработок является одним из путей обеспечения машиностроения высокопроизводительным режущим инструментом и является на данный момент времени актуальным направлением. Быстрое развитие ЭВМ предоставляет большие возможности применения специально разработанных систем автоматизированного проектирования режущего инструмента.

За рубежом они получили название CAD/CAM (Computer - Aided Design / Computer - Aided Manufacturing) систем.

В данной работе осуществлена разработка программно -математического обеспечения проектирования сборных фрез для обработки валов с РК-профилем, оснащенных сменными многогранными пластинами (СМП).

В первом разделе работы выполнен анализ состояния вопроса и определяются цели и задачи связанные разработкой основ теории.

Во втором разделе изложена математическая модель проектирования сборных фасонных фрез для обработки РК-профильных валов, позволившая разработать CAD/CAM систему на базе персональных компьютеров.

В третьем разделе изложена математическая модель изготовления сборных фасонных фрез, предназначенных для обработки РК-профильных валов, позволяющая подготовить параметризованные управляющие программы для ЭВМ.

В четвёртом разделе рассмотрен пример решения конкретной задачи, иллюстрирующей возможности системы и справедливость сформулированных в работах положений.

Заключение

1. В рамках геометрической теории формирования поверхностей разработан метод проектирования сборных фасонных фрез с определением величин искажения обрабатываемой поверхности, а также геометрическая модель конструкции сборных фасонных фрез, которая включает: методику расчета пространственной установки СМП на корпусе фрезы с обеспечением заданных значений углов вдоль режущей кромки СМП и определением точек режущих кромок, находящихся внутри припуска.

2. Получены зависимости, которые дают возможность оценки параметров срезаемых слоев (длины, ширины, площадей продольного и поперечного сечения, объёма), а также шероховатости обработанной поверхности.

3. Созданная на основе разработанной математической модели система конструкторско-технологической подготовки производства, позволяет в диалоговом режиме спроектировать сборную фасонную фрезу, произвести оценку проектируемого инструмента путём численного моделирования его работы, а также оценку шероховатости обрабатываемой поверхности, обладает возможностью вносить требуемые изменения в процессе проектирования (Свидетельство об официальной регистрации программы для ЭВМ№ 2005612124 от 19.08.2005).

4. Патент на полезную модель конструкции сборной фасонной фрезы для обработки валов с равноосным контуром подтверждает новизну и практическую полезность разработки.

5. Применение сборных фасонных фрез для обработки РК-профильных валов позволяет:

- использовать для получения РК-профильных валов одного из производительных способов обработки - фрезерования;

- получать РК-профильные валы, используя в качестве движений формообразования - главное вращательное, прямолинейное движение подачи, делительное движение подачи.

По результатам НИР «Разработка средств автоматизированного проектирования и изготовления сборных фасонных фрез, предназначенных для обработки валов с равноосным контуром», выполненной на ОАО «Геомаш» город Щигры, Курской области, ожидаемый годовой экономический эффект составил 235 тысяч рублей.

1. Тимченко А.И. РК-профильные соединения и их применение в различных отраслях промышленности. // СТИН.- 1993.- №2.- с. 13-18.

2. Тимченко А.И. Процессы формообразования профильных поверхностей изделий с равноосным контуром. Дис. . д.т.н. - М.: 1993.-549с.

3. Чарнко Д.В., Тимченко А.И. Профильные соединения валов и втулок в машиностроении. // Вестник машиностроения.- 1981. №1. - с. 3337.

4. Тимченко А.И. Перспективы изготовления и применения профильных бесшпоночных соединений в машиностроении. М.: ВНИИТЭМР, 1988. - 46 с. - (Технология и оборудование обработки металлов резанием. Сер. 7. Обзор, информ. - Вып. 3).

5. Тимченко А.И., Схиртладзе А.Г. Вспомогательный инструмент с РК-профильным соединением для агрегатных станков: Информ. листок. -№254-88. М.: МосгорЦНТИ, 1988. - с. 4.

6. Тимченко А.И., Схиртладзе А.Г. Осевые фиксаторы с равноосным контуром. // Передовой производственный опыт и научно-техн. достижения: Информ. сб. М.: ВНИИТЭМР, 1991. - Вып. 2. - с. 7-13.

7. Тимченко А.И. Новый способ обработки профильных валов и отверстий с равноосным контуром на токарном станке. // Вестник машиностроения. 1981. - №9.

8. Тимченко А.И., Боголюбов A.B., Червяков Л.М. Формообразование внешних и внутренних PK-N- профильных поверхностей на станках с ЧПУ. // СТИН. 1993. - №6. - с. 8-13.

9. Тимченко А.И., Лапин С.Н. Формирование РК-профильных отверстий методом шлифования. // СТИН. 1993. - №3. - с. 8-10.

10. Тимченко А.И., Схиртладзе А.Г. Станочный агрегат для протягивания РК-профильных валов. // СТИН. -1993. -№5. с. 19-22.

11. Тимченко А.И., Обработка профильных поверхностей с равноосным контуром. // СТИН. 1991. - №11. - с. 27-33.

12. Тимченко А.И., Гирман A.B., Степанов A.B. Использование профильных соединений в узлах станков. // СТИН. 1993. №6. - с. 20-23.

13. Тимченко А.И. Анализ точности процессов формирования РК-профильных поверхностей. // СТИН. 1993. - №3. - с. 6-11.

14. Тимченко А.И., Схиртладзе А.Г. Коробки скоростей с РК-профильными валами. // СТИН. 1998. - №4. - с. 11-14.

15. Емельянов С.Г., Куц В.В., Шитиков А.Н. Фасонное фрезерование как один из способов получения РК-профильных валов. / Труды 6-й Международной науч.-техн. конференции. Харьков, - 2002. - с. 114-116.

16. Лашнев С.И., Борисов А.Н., Емельянов С.Г. Геометрическая теория формирования поверхностей режущими инструментами: Монография/ Курск, гос. техн. ун-т. Курск, 1997. 391с.

17. Андреев В.Н. Совершенствование режущего инструмента. М.: Машиностроение , 1989 - 256с.

18. Меркачев В.М., Бутенко А.И. Экономический справочник машиностроения. Одесса: Маяк, 1991. - 200с.

19. Кудря H.A., Эйхманс Э.Ф. Современные направления совершенствования твердых сплавов для режущего инструмента // СТИН -1986.-№6.-с. 15-16.

20. Емельянов С.Г. Математическая модель проектирования и изготовления сборных резцов, оснащенных многогранными неперетачиваемыми пластинами. Дис. к.т.н. - Тула; 1990. - 259с.

21. Москвитин A.A. Разработка конструкции узла крепления многогранных режущих пластин в сборных дисковых фрезах. Дис. . к.т.н. -М.: 1985.-258с.

22. Фрезы. Каталог фирмы "Krupp Widia", 1989 г.

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

24. Лашнев С.И., Юликов М.И. Расчет и конструирование металлорежущих инструментов с применением ЭВМ. — М.: Машиностроение,975. -392с.

25. Справочник конструктора-инструментальщика: под общ. ред. В.И. Баранчикова. М.: Машиностроение, 1994. 560 е.: ил.26. HERTEL, Каталог, 1991.

26. SANDVIK Coromant, Indexable inserts for turning, milling and drilling tools/ Каталог. 1980.

27. Системы автоматизированного проектирования технологических процессов, приспособлений и режущих инструментов. С.Н. Корчак, A.A. Кошин, А.Г. Ракович, Б.И. Синицын; Под общ. ред. С.Н. Корчака. -М.: Машиностроение, 1988. 352 е.: ил.

28. Проектирование и производство режущего инструмента/ М.И. Юликов, Б.И. Горбунов, Н.В. Колесов, М.: Машиностроение, 1987. -296с.,ил.

29. Подпоркин В.Г., Бердников Л.Н., Фрезерование труднообрабатываемых материалов. — 2-е изд., перераб. и доп. — Л.: Машиностроение, Ле-нингр. отд.-ние, 1983. 136 е., ил.

30. Барбашов Ф.А. Фрезерные работы, — М.: Высш. шк., 1986 208с.

31. Фрезы торцовые, оснащенные сверхтвердыми материалами, керамикой и твердыми сплавами: Отрасл. кат./ВНИИинструмент. — М.: ВНИИ-ТЭМР, 1989. 24.

32. Борисов А.Н., Графы, как математическая модель проектирования, изготовления и эксплуатации режущих инструментов //Станки и инструмент 1997. - №4. - С. 15-18.

33. Андреев В.Н. Совершенствование режущего инструмента. — М.: Машиностроение, 1993. 240с., ил.

34. Пластины режущие сменные многогранные твердосплавные, ГОСТ 19044-80,19045-80, 19046-80,24247-80.

35. Моделирование производящей линии в CAD/CAM-системе трехсторонней сборной фрезы. С.Г. Емельянов, A.A. Горохов, В.В. Куц.//М.: «Информатика-машиностроение», 1999, №2 (24).

36. Режимы резания металлов. Справочник. Под. ред. Барановского Ю.В. Изд. 3-е перераб. и доп. М.: Машиностроение, 1972.

37. Прогрессивные режущие инструменты и режимы резания металлов: Справочник / В.И. Баранчиков, A.B. Жариков, Н.Д. Юдина и др. Под. общ. ред. В.И. Баранчикова. -М.: Машиностроение, 1990.

38. Емельянов С.Г., Куц В.В., Шитиков А.Н. Графовые модели проектирования сборных фасонных фрез для обработки РК-профильных валов / Материалы I международной научно-технической конференции / Курск, гос. техн. ун-т. Курск, 2003. с. 88-91.

39. Гориздра В.В., Шитиков А.Н. Автоматизация проектирования конструкции сборных фрез для обработки РК-профильных валов/ Сб. мат-лов 6-й Межд. конф.: В 2-х ч. Ч. 2 /Курск, гос. техн. ун-т. Курск, 2003. с. 329-330.

40. Емельянов С.Г., Куц В.В., Шитиков А.Н. Моделирование движения фрезы и вала с равноосным контуром / Материалы II международной научно-технической конференции / Курск, гос. техн. ун-т. Курск, 2004. с. 147-151.

41. Металлорежущие инструменты. Г.Н. Сахаров, О.Б. Арбузов, Ю.Л. Боровой и др. М.: Машиностроение, 1989. - 328 е.: ил.

42. Основы проектирования режущего инструмента с применением ЭВМ / П.И. Ящерицин, Б.И. Синицин, Н.И. Исигалко, И.А. Басс. Минск: Высшейшая школа, 1979. - 301 с.

43. Емельянов С.Г., Куц В.В. Графовые модели конструирования и изготовления сборных дисковых фрез. // СТИН. 1999 г. - №5. - с. 20 -22.

44. Шитиков А.Н. Анализ методов изготовления РК-профильных валов / Приборы и системы. Управление, контроль, диагностика. 2005. № 4, с. 54-56

45. Емельянов С.Г., Куц В.В., Шитиков А.Н, Графы конструирования сборных фасонных фрез, предназначенных для обработки РК-профильных валов / Материалы III Международной научно-технической конференции / Курск, гос. техн. ун-т. Курск, 2005. с. 58-61.

46. Куц В.В., Моделирование движения сборных фасонных фрез в процессе фрезерования / Материалы III Международной научно-технической конференции / Курск, гос. техн. ун-т. Курск, 2005. с. 85-89.

47. Куц В.В., Шитиков А.Н. Модель проектирования сборных фасонных фрез для обработки РК-профильных валов в рамках методологии IDEF / Материалы III Международной научно-технической конференции / Курск, гос. техн. ун-т. Курск, 2005. с. 127-131.