автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Разработка процесса формообразования фасонных винтовых поверхностей инструментов на основе применения стандартных концевых и торцевых фрез

с

На правах рукописи

005016649

Домнин Пётр Валерьевич

Разработка процесса формообразования фасонных винтовых поверхностей инструментов на основе применения стандартных концевых и торцевых фрез

Специальность 05.02.07 Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

з ш шг

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 2012

005016649

Работа выполнена

на кафедре «Инструментальная техника и технология формообразования» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования «Московский государственный технологический университет «СТАНКИН» (ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»)

Научный руководитель:

Доктор технических наук, профессор Петухов Юрий Евгеньевич

Официальные оппоненты:

Доктор технических наук, профессор Клепиков В.В. ФГБОУ ВПО МГИУ

Кандидат технических наук, доцент Локтев Д.А.

ООО "ИТЦ ТЕХНОПОЛИС"

Ведущая организация:

ОАО "ВНИИИНСТРУМЕНТ»

Защита диссертации состоится «22» мая 2012г. в /6 часов &?мин. на заседании диссертационного совета Д.212.142.01 в ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН» по адресу: 127994, ГСП-4, Москва, Вадковский пер., д. За.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН».

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, заверенные печатью учреждения (организации), высылать по указанному адресу в диссертационный совет Д.212.142.01.

Автореферат разослан <7а/ V-'. V 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук

М.А. Волосова

->

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. Среди многообразия типов и форм режущих инструментов значительную часть составляют инструменты со сложными рабочими и, в частности, винтовыми поверхностями: сверла, зенкера, развертки с винтовыми зубьями, фрезы, метчики с винтовыми зубьями

Проектирование и изготовление режущих инструментов для обработки этих поверхностей являются наиболее сложными вопросами инструментального производства.

Это обстоятельство объясняется тем, что нет однозначного соответствия между профилем инструмента и профилем винтовой поверхности.

Специфика проектирования режущих инструментов, предназначенных для обработки фасонных винтовых поверхностей, обуславливает необходимость учета многочисленных связей между параметрами конструкции, требованиями к их эксплуатации и производству, рассмотрения большого числа конструктивных и технологических вариантов. Комплексное решение поставленных задач возможно только на базе широкого применения вычислительной техники и создания систем автоматизированного проектирования режущих инструментов (САПР РИ).

Традиционный способ обработки фасонных винтовых канавок предусматривает в качестве режущего инструмента дисковую фасонную острозаточенную или затылованную фрезу. Заготовке сообщается согласованное движение вокруг ее оси и перемещение, при этом фреза устанавливается под углом скрещивания, на межосевое расстояние и на угол, фиксирующий положение точки скрещивания.

Однако данный способ обработки характеризуется трудоемкостью технологической подготовки производства инструмента второго порядка, которая обусловлена сложностью проектирования, сложностью изготовления, необходимостью в большой номенклатуре режущего инструмента, а также зачастую невозможностью оснащения современными инструментальными материалами.

Перечисленные недостатки можно решить, применяя способ обработки винтовых фасонных поверхностей концевыми фрезами прямого профиля, который позволяет сократить номенклатуру необходимого инструмента и отказаться от проектирования и изготовления специальных фасонных дисковых фрез. Использование стандартного инструмента с прямолинейными режущими кромками позволяет оснастить инструмент твердым сплавом, минералокерамикой и сверхтвердыми материалами. Применение указанных инструментальных материалов позволяет реализовать высокоскоростную обработку на операциях фрезерования фасонных поверхностей и тем самым повысить ее производительность и эффективность использования оборудования.

Применение стандартного инструмента особенно актуально в условиях единичного и мелкосерийного инструментального производства, когда проектирование и изготовление специального инструмента второго порядка экономически не оправдано.

Особенностью данного способа является специальное позиционирование режущего инструмента относительно заготовки с последующим фрезерованием винтовой канавки за один проход. В качестве режущего инструмента может использоваться концевая или торцевая фреза.

Цель работы. Замещение специального фасонного дискового инструмента стандартным с цилиндрической или торцевой исходной инструментальной

поверхностью на операции фрезерования сложнопрофильных винтовых канавок инструментов.

Для достижения поставленной цели в работе необходимо было решить следующие задачи:

> Определить условия формообразования фасонных винтовых поверхностей концевыми фрезами прямого профиля за счет параметров установки и размеров стандартного инструмента (концевой фрезы или торцевой фрезы);

> Установить математические зависимости между размерами и формой профиля винтовой канавки, параметрами установки и диаметром стандартного инструмента прямого профиля при обработке винтовых канавок инструментов.

> Установить взаимосвязи между расчетными и станочными параметрами установки стандартной фрезы прямого профиля для формообразования фасонной винтовой канавки.

> Разработать математическую модель формообразования фасонных винтовых поверхностей инструментов стандартной концевой фрезой в рамках решения обратной задачи профилирования численным методом;

> Разработать модель формирования схемы резания концевой фрезой фасонной винтовой поверхности на базе цилиндрической и торцевой инструментальной поверхности.

Научная новнзна работы состоит:

> в теоретическом обосновании и экспериментальном определении условий формообразования фасонных винтовых канавок концевыми фрезами прямого профиля за счет определения параметров установки и размеров инструмента;

> во взаимосвязи между расчетными и станочными параметрами установки концевой фрезы для формообразования фасонной винтовой поверхности, обеспечивающей установку инструмента на станке относительно заготовки в соответствии с расчетными параметрами, которые позволяют получать необходимый профиль;

> в математической модели формообразования фасонных винтовых канавок инструментов стандартными инструментами прямого профиля (концевой или торцевой фрезами), включающей определение координат профиля обрабатываемой винтовой канавки при заданном профиле инструмента в рамках решения обратной задачи профилирования численным методом;

> в математической модели формирования схемы резания, включающей определение размеров срезаемых слоев режущими зубьями на всех этапах формирования профиля обрабатываемой фасонной винтовой поверхности концевой фрезой на базе цилиндрической и торцевой инструментальной поверхности.

> во взаимосвязях между размерами и формой профиля винтовой поверхности обрабатываемой детали, параметрами установки и конструкцией инструмента.

Практическая ценность работы состоит:

> в рекомендациях по определению параметров установки и размеров инструмента для формообразования фасонных винтовых поверхностей концевыми фрезами прямого профиля;

> в рекомендациях по определению станочных параметров установки в зависимости от расчетных параметров установки концевой фрезы для формообразования фасонной винтовой поверхности;

г- в рекомендациях по назначению задних углов инструмента в зависимости от изменения кинематических задних углов вдоль режущей кромки инструмента в процессе формообразования фасонной винтовой поверхности;

> в рекомендациях по оценке загрузки различных участков режущей кромки в процессе формообразования на основании определения размеров срезаемых слоев за счет формирования фасонной винтовой поверхности концевой фрезой на базе цилиндрической и торцевой инструментальной поверхности;

> в рекомендациях по выбору конструктивных параметров стандартного инструмента прямого профиля и параметров его установки для обработки фасонной винтовой поверхности заданного профиля детали с необходимой точностью.

Методы исследования. В работе использованы основные положения теории проектирования режущих инструментов для обработки фасонных винтовых поверхностей, в частности, различные методы профилирования и теории огибающих поверхностей. При проведении исследований применялись средства дифференциальной геометрии, матричного исчисления, численные методы, языки программирования высокого уровня (delphy), средства векторной и трех мерной графики, пакеты программ mathcad 14, Tfex-11 и др. Экспериментальные исследования проводились в лабораторных условиях с использованием лабораторного оборудования, в том числе на универсальнофрезерном станке модели 6Р82 с поворотной шпиндельной головкой и делительной головкой для передачи согласованного винтового движения заготовки. Для контроля полученных результатов экспериментов применялась современная цифровая фототехника. Достоверность научных выводов обеспечена согласованием расчетных и экспериментальных данных.

Реализация результатов работы. Разработанные в диссертационной работе рекомендации используются на предприятии ОАО «Станкоагрегат», а также в учебном процессе по курсу «Технология изготовления режущего инструмента» и «САПР и машинная графика в инструментальной технике» кафедры «Инструментальная техника и технология формообразования» ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАН-КИН», а также работа была заслушана и получила одобрение на совместном техническом совете ОАО «МИЗ» и кафедры «ИТиТФ» МГТУ «СТАНКИН».

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы докладывались и получили одобрение на 9 конференциях, в том числе, на международной научно-технической конференции «Автоматизация: проблемы, идеи, решения» (г. Севастополь 6-10 сентября 2010г.), на III международной научно-практической конференции «Модернизация машиностроительного комплекса России на научных основах технологии машиностроения (ТМ-2011)» (Брянск, 19-20 мая 2011г.), на XXII Международной инновационно-ориентированной конференции молодых учёных и студентов «Будущее машиностроения России» (МИКМУС-2010)(Москва, 26-29 октября 2010 г.), обсуждались на заседании кафедры «Инструментальная техника и технология формообразования» МГТУ «Станкин».

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 15 печатных работ, в том числе четыре работы в журналах, входящих в перечень ВАК, в 1 иностранном журнале, входящим в индекс цитирования SCOPUS и подана 1 заявка на изобретение.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, общих выводов, списка литературы и приложения. Материал диссертации изложен на 208 страницах машинописного текста, содержит 110 рисунков 14 таблиц, список литературы из 86 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во введении изложено краткое содержание работы, рассмотрены основные положения способа формообразования фасонной винтовой поверхности фрезами прямого профиля, обоснована актуальность темы исследования и сформулированы основные направления проведения исследований.

В первой главе приведен анализ научно-технической литературы по теме исследования.

Имеется ряд научных работ и публикаций, в которых исследованы процессы формообразования фасонных винтовых поверхностей, а также методы проектирования инструмента для обработки таких поверхностей. Часть из этих работ посвящена общим задачам обработки, а также погрешностям при обработке и методам повышения точности (Гречишников В.А., Илюхин С.Ю., Колесов Н.В., Лашнев С.И., Петухов Ю.Е., Родин П.Р., Цепков A.B., Юликов М.И., Агарков A.A. и др.). Результаты этих работ применительно к концевым и торцевым фрезам ограничены лишь отдельными примерами.

К настоящему времени процесс формообразования винтовых поверхностей фрезами достаточно подробно изучен в отношении дисковых фрез, причем исследованию в основном подверглось направление профилирования.

Для оценки степени формализации процесса формообразования фасонных винтовых поверхностей концевыми фрезами было проведено исследование процесса обработки фасонных винтовых поверхностей. Был проведен анализ объема и уровня, исследованных и установленных функциональных связей как между факторами (параметрами конструкции и условиями эксплуатации), так и между факторами и показателями (эксплуатационными) процесса формообразования винтовых поверхностей концевыми фрезами.

Анализ большого количества литературных источников, включающих диссертации, монографии, материалы конференций, статьи т.д., позволил определить установленные на момент проведения исследования как внутренние функциональные связи между факторами процесса формообразования, так и внешние - между факторами и показателями. Проведенные аналитические исследования позволили сформировать схему взаимосвязей основных факторов и показателей процесса формообразования винтовых поверхностей фрезами прямого профиля.

Схема представляет собой граф взаимосвязей между факторами процесса формообразования (рис.1)

На основе схемы функциональных связей построена матрица инцинденций. В результирующем виде матрицу можно рассматривать как структуру базы знаний процесса формообразования фасонных винтовых поверхностей путем фрезерования концевой фрезой (рис.2).

Приведенная матрица достаточно наглядно демонстрирует степень формализации процесса формообразования и возможные направления дальнейших исследований.

В работе зеленым цветом обозначены связи с полной формализации - где выявлены прямые математические зависимости. Желтым цветом обозначены связи, основанные на эмпирических зависимостях, неформализованных рекомендация, таблицах. Красным цветом обозначено отсутствие завязей, что является показателем отсутствия исследований в данном направлении.

Анализ полученного результата позволяет утверждать, что процесс изучен недостаточно, требует дальнейшего исследования.

На основе изучения неформализованных связей были выбраны основные направления исследований.

Параметры конструкции

Рис.1 Схема основных факторов и показателей процесса формообразования винтовых поверхностей фрезерованием

концевыми фрезами (упрощенно)

Ыя полная формализация связи между факторами и показателями

L.lJ эмпирическая связь между факторами и показателями

Ш формализация связи между факторами и показателями отсутствует

Рис.2 Единичная матрица функциональных связей между факторами и показателями процесса формообразования фасонных винтовых поверхностей концевыми фрезами прямого профиля.

Вторая глава диссертации была посвящена решению обратной задачи профилирования, а также созданию математической модели обработки фасонной винтовой канавки инструментов фрезами прямого профиля.

Ж В ходе работы были изучены и

проанализированы конструктивные особенности и формы профиля винтовых стружечных канавок различных инструментов.

В качестве материала для исследований были выбраны винтовые стружечные канавки концевых фрез (рис.3) как наиболее общий случай, в виду того что их профиль имеет как прямые (ВК) и вогнутые (КВ), так и выгнутые (ЕС) участки.

Был разработан новый способ формообразования фасонных винтовых поверхностей инструментом прямого профиля [14]. В исходном положении ось концевой фрезы располагается вертикально и пересекает ось обрабатываемой детали под прямым углом, а торец фрезы совмещен с горизонтальной плоскостью, проходящей через ось заготовки. Рис. 3 Форма профиля стружечной канавки кон- Установка фрезы на станке цевой фрезы и его основные параметры заключается (рис.4) в

перемещении фрезы вдоль своей оси 0|У на расстояние а, и в вертикальной плоскости перпендикулярно собственной оси по ох на расстояние в, затем -повороте вокруг горизонтальном оси 0|Х на угол айв заключение - повороте заготовки вокруг вертикальной оси СУ на угол /3.

Станочные параметры установки а, в, а, р и диаметр Э фрезы позволяют получать криволинейную поверхность, при этом профиль винтовой канавки получается, как огибающая проекций прямолинейных режущих кромок инструмента на плоскость торцевого сечения. Перечисленные выше параметры необходимы для установки концевой фрезы относительно обрабатываемой детали. Одна-| , ,/ Деталь ко в расчетных схемах определения

ШК^у I / £ / профиля винтовой поверхности исполь-

^ ' уЧ зуются только три расчетных параметра:

^¿Р \ угол скрещивания - 8, межосевое рас-

/«с™^*^* ' ^^ \ !ч) стояние- т. а также величина, характе-

' - - 7 ризующая положение точки скрещива-

|\*' - ния; эту величину определяет расстоя-

•! К** I ние I от точки скрещивания до (от точки

пересечения межосевого перпендикуляра осью фрезы) ее торца. Рис.4 Схема расположения фрезы при Были вь'вялены зависимости между

обработке винтовой поверхности расчетными параметрами установки £, т,

/ и станочными параметрами а, е, а, [3.

С08(/3)

-(atg(a)-вtg(|3))sin(^3)

БтСа)

« - \-— - (*#(«) - 8ш(/5)}

СОБ (/?)

ctg2(a)+s\n2(/3)

соз(е) = зт(аг) • со бС/З) Для решения обратной задачи профилирования был разработан численный метод определения координат профиля обрабатываемой винтовой поверхности детали по заданному профилю инструмента.

Необходимость разработки численного метода решения обратной задачи профилирования обусловлена тем, что существующие методы не позволяют определить профиль в рамках решения поставленной задачи. Существующие методы решения обратной задачи профилирования требуют либо построения огибающей семейства, либо решают задачу, основываясь на общей касательной или нормали в точке сопряжения между профилем обрабатываемой поверхности и профилем инструмента. Однако при формировании сопряженной поверхности по переходной кривой данный метод неприменим.

Рис.5

Расчетная схема численного метода определения профиля винтовой поверхности в заданных сечениях

При разработке метода решения обратной задачи были сформированы расчетная схема (рис.5), методика, алгоритм и программа численного метода определения профиля винтовой поверхности по заданным параметрам установки.

Основное содержание расчетной схемы определения профиля данным численным методом заключается в том, что точкой, принадлежащей профилю торцевого сечения винтовой поверхности на заданной абсциссой х1 участке, является точка на профиле инструмента, которая при вращении ее вокруг оси инструмента будет иметь в подвижной системе координат XYZ1 связанной с торцевым сечением, минимальную ординату у!.

На рис. 6 представлена блок-схема алгоритма численного метода, а также ниже представлены необходимые исходные данные для формирования численной модели и сама численная модель.

Последовательность преобразования Исходное данные для построения численной модели (параметры преобразовании систем координат)

N Углы Перемещения

Ось 22 а ( угол положения точки скрещивания ) -

Ось У2 —Е ( угол скрещивания ) т (межосевое расстояние)

Ось г\ V р*\' (р- винтовой параметр )

2к '

где Ьшаг винтовой канавки

Результирующая матрица

MR =

У, О

V 1 J

МЗх

Л/2х

М\ х

Го y;

2,

, где Y¡=-R,

Матрицы последовательного преобразования систем координат

М1 =

Л/3 =

cos(a) sin(or) О 0Л

-sin(ar) cos(a) О О

О 0 10

0 0 0

r cos(k) sin(l') 0

-sin(v) cos(v) 0

М 2 =

0 0

■pv

Ґ cos(&) 0 sin(£) 0N

0 I О т

sin(e) 0 cos(£) 0

0 0 0 1

Z, cos(e) - R¡ sm(a)sin(£) P

У

У

Начало Щ

«Аа.Д.в/

ч > >' I 1Ир] ' со вс-«¡пас охр

¥

■ &-"" ^ • ■ 1 ДО ■ , Ч>:. '.* I 1

пС I

¥

> Ч М-, ¡2

■ ™

нет ^ ¡з.,

У

'¿-Л "" ,'" ' *

ИВ

" / "До ■ ......

ДО 2 -щ .

.и. т

, __ да . 13 - и. • "

8 ► 7., . [у^.уь2|<А м Численная

/ ; .ДО модель II ' : ................▼

Конец; 7 .

Рис. 6 Блок-схема алгоритма численного метода определения профиля винтовой поверхности в заданных сечениях

По алгоритму, приведенному на рис. 6, была разработана программа, ре зультаты которой представляют собой решения обратной задачи профилирова ния винтовой канавки концевой фрезы (рис. 7) Э=24мм с диаметром сердцеви ны с)=14мм. Рассмотрены четыре варианта профиля с числом зубьев г= 2, г=3 г=4, г=6, и различными геометрическими параметрами Я,а, у, г|.

т-К,

н V/ \ А'Л 12 1

¡? N : N

/

2 2/

_______5___________ /

а)

т-Я,

12 Ьч- |Т 90

......4 \, А

< Л

ш, щ 11 2

б)

8"

| ! 12...А Я15

| / Ни А

1 • 4 ;§ Ш И

1 1 ...........Щ ' 1 л........

В)

Рис. 7 Компьютерное моделирование обработки винтовой канавки концевой фрезы с числом зубьев г=2 (а); Ъ=\ (б); Т=6 (в); Z=3(г).

Полученные результаты (рис. 7) доказывают возможность обработки стандартными концевыми фрезами винтовых канавок инструментов с профилями в широком диапазоне размеров.

Для обработки фасонных поверхностей важными факторами, которые позволяют судить о работоспособности инструмента являются: оценка загруженности участков режущих кромок, величина изменения кинематических углов в процессе обработки, а также схема резания.

На рис.8 представлена расчетная схема определения размеров срезаемого слоя при фрезеровании винтовой поверхности концевой фрезой прямого профиля.

На базе расчетной схемы определения размеров срезаемых слоев была создана численная и компьютерная модель, позволяющая сформировать схему резания при формообразовании профиля винтовой канавки инструментом прямого профиля в зависимости от конструкции инструмента, параметров установки и режимов резания.

Схема резания представляет собой картину последовательного снятия слоев материала при формировании профиля винтовой поверхности детали (в торцевом сечении) режущими кромками зубьев фрезы в процессе обработки.

При формировании схемы резания торцевое сечение детали рассматривается неподвижным, а режущая кромка первого зуба инструмента поворачивается вокруг оси инструмента на один зуб, при этом одновременно ось фрезы совершает винтовое движение относительно оси обрабатываемой детали. Ниже представлены необходимые исходные данные для формирования численной модели и сама численная модель.

Рис. 8 Схема определения размеров срезаемого слоя при фрезеровании винтовой поверхности концевой фрезой прямого

профиля

Последовательность преобразования Исходное данные для построения численной модели (Параметры преобразований систем координат)

Л' Углы (поворот вокруг оси) Перемещения (вдоль оси)

Ось Ъ а (угол положения точки скрещивания )

Ось У —е ( угол скрещивания ) т (межосевое расстояние)

Ось г V Р*у (р- винтовой параметр)

Ось у Е (угол скрещивания ) - т (межосевое расстояние)

Р — . , где 1-і и аг винтовой канав-¿71

Результирующая матрица

г ґ г Ґ / о ^^

М4х

МЗх

М2х

М\х

У,

I 1 )))

где

Матрицы последовательного преобразования систем координат

М1 =

совСсе) зіп(а) -8Іп(а) соз(а)

М2 =

О

со8(г)

О 1

— яіп(є) О

О О

8ІП(£)

О

С05(Є)

О

1 У

Л/1 =

' С05(у) яіп(^) 0 0 ^

-81П(у) соз(у) 0 0

0 0 1 -ру

, о 0 0 1 )

М4 =

соз(е) О

8ІП(Є)

О

17Ц)

-8ІІі(е) О

СОБ(£)

О

О — »г

0

1

у

В ходе исследования схемы резания рассматривались две принципиальные схемы обработки фасонных винтовых канавок инструментов на базе цилиндрической и торцевой исходной инструментальной поверхности.

Первый вариант (рис. 9) формирования винтовой поверхности реализуется при установке инструмента относительно заготовки таким образом, что цилиндрическая инструментальная поверхность обрабатывает спинку зуба, а вершина зубьев принимает участие в формировании передней поверхности.

Второй вариант (рис. 10) реализуется при установке инструмента относительно заготовки таким образом, что спинку зуба формирует торцевая инструментальная поверхность, а вершины зубьев часть участвуют в обработке только передней поверхности и дна канавки.

Рис. 9 Обработка концевой фрезой

Рис. 10 Обработка торцевой фрезой

В результате выполненных исследований сформированы две расчетные схемы обработки для формирования профиля винтовой канавки концевой фрезы.

На рис. 11 видно, что для случая обработки концевой фрезой, на вогнутом участке профиля между точками 1-2 контур окончательно формируется вершинами зубьев концевой фрезы по генераторной схеме резания, что вызывает необходимость в увеличении радиуса скругления при вершине.

На участке между точками 2-3 профиль формируется режущими кромками на цилиндрической части концевой фрезы по генераторной схеме резания по методу огибания.

Для второго случая (рис. 12) на вогнутом участке торцевого сечения между точками 1-2 профиль формируется режущими кромками по генераторной схеме резания, вершиной зубьев, при этом передняя поверхность зуба окончательно формируется цилиндрической частью инструмента, которая в данных сечениях имеет форму эллипса, что позволяет сформировать переднюю поверхность с большим положительным передним углом по сравнению с первым случаем.

фрезы

Проекции режущих кромок концевой фр

Торцевое сечение

Рис. 11 Схема резания при фрезеровании винтовой канавки концевой концевой фрезой прямого профиля

1111111....................................;........................£......1111 I орцевое сечени

Рис.12 Схема резания при фрезеровании винтовой канавки концевой фрезы торцевой фрезой прямого профиля

На участке между точками 2-3 профиль торцевого сечения формируется режущими кромками торцевых зубьев по генераторной схеме резания по методу огибания.

Приведенная методика построения схемы резания может также рассматриваться как самостоятельный метод решения обратной задачи профилирования. Более того, данная методика позволяет оценить изменения кинематических задних углов по длине режущей кромки за счет определения толщин срезаемого слоя на разных стадиях процесса формообразования.

Кинематический задний угол а*; (рис. 13) вычисляется по формуле приведенной ниже, где М - толщина срезаемого слоя в ¡-ой точке режущей кромки. Ъ - число зубьев фрезы, О - диаметр фрезы.

Для благоприятного протекания процесса обработки необходимо обеспечить условие, чтобы а: >осм. Из рис. 13 видно, что толщина срезаемых слоев имеет непостоянный характер как на разных стадиях формообразования, так и по длине режущей кромки.

Согласно схеме на рис. 8 ось инструмента перемещается вдоль оси детали на расстояние, равное величине подачи на зуб - Яг и согласованно поворачивается вокруг оси на угол р , где р - винтовои параметр, 1: - шаг винтовой канавки.

Были проведены численные исследования изменения кинематических задних углов вдоль режущей кромки зуба фрезы на различных стадиях формообразования. Были рассмотрены два случая для обработки винтовой стружечной канавки концевой фрезы диметром 0=25мм, числом зубьев Ъ=Л, с шагом винтовой канавки 1=136мм. В первом случае (рис. 14) в качестве инструмента была использована концевая фреза Э1=20мм, с числом зубьев г=4, подача на зуб 8г=0.25мм, обработка проводилась на базе схемы с цилиндрической инструментальной поверхностью (рис. 11).

Во втором случае (рис. 15) в качестве инструмента была использована торцевая фреза Э^ЗОмм, с числом зубьев г=8, подача на зуб 8г=0.25мм, обработка проводилась на базе схемы с торцевой инструментальной поверхностью (рис.

е =

кй 2

А, _ а,г

Рис 13 Схема расчета кинематического заднего угла.

Данные снимались с шагом 2мм (с шагом угла поворота оси инструмента у=5.3°). Слои срезов на графиках пронумерованы в соответствии с порядком их появления в процессе формообразования.

График изменение кинематических углов в точке вдоль режу ней кромки зуба на торце торцевой фрезы в различных стадиях формообразования

3.5 4 4,5 5 5,5 б 0.5 7 Расстояние отъершнны зуба, мм

Расстояние от вершины зуба, мм

Рис. 15 Изменение кинематических задних углов при формообразовании винтовой стружечной канавки концевой фрезы торцевой фрезой.

График на рис. 14 показывает, что на цилиндрическом зубе на всех стадиях формообразования величина кинематического заднего угла и толщина срезаемого слоя линейно возрастают с ростом расстояния между точкой и вершиной зуба. При этом значения изменяются в относительно большом диапазоне (от 0.2е до 3.85°). На торцевом зубе кинематический задний угол и толщина срезаемого слоя с увеличением расстояния от вершины зуба линейно уменьшается и стремится к нулю. При этом величина кинематического угла изменяется в узком диапазоне (от 0.25° до 1

График на рис. 15 показывает, что при фрезеровании винтовой стружечной канавки концевой фрезы торцевой фрезой на режущей кромке торцевого зуба величина кинематического заднего угла и толщина срезаемого слоя непостоянная, значения изменяются неравномерно и в большом диапазоне (от 0° до 5°). При этом максимальные толщина срезаемого слоя и значения кинематических задних углов приходятся преимущественно на вершину зуба.

Фрезерование винтовых стружечных канавок концевой фрезой характеризуется более благоприятными условиями изменения кинематических задних

Рис. 14 Изменение кинематических задних углов при формообразовании винтовой стружечной канавки концевой фрезы концевой фрезой.

Изменение кинематических задних углов вдоль режущей кромки з\ба на цилиндрической части фрезы на различных стадия формообразования

» 1 2 3 Л 5 6 7 В 9 10 II 12 13 14 15 16 17 18 19 31

Расстояние от вершины зуба,мм

Изменение кинематаческихзаднихуглов вдоль режмдеи кромки торцевого з)15а фрезы на различных стадия (¡ермообразования

I,»5

II,95 (1,85 0,75 0,65 0,55 11,45 0,35 0,25 0,15 0.115

0 „1 2 3 _ , 4

Расстояние от вершины з> оа L.mm

углов и меньшей неравномерностью загрузки режущей кромки, чем фрезерование торцевой фрезой. Однако, проведенные исследования показали, что способ фрезерования торцевой фрезой позволяет получать более разнообразные формы профилей в более широком диапазоне размеров.

Анализ схемы резания позволил сравнить величины объема срезаемого материала режущими кромками на цилиндрической и торцевой поверхности фре-

IU о __________...„_

71)% - — . 7U% __

т-о • Fl -- GU% -- Fl

Л)«'

F2 8% F -V ............

ш% 10% - f>"'i FT

F2Ü3 площадь обработки торцевыми зубьями Р10 площадь обработки торцевыми зубьями

FIÜ! площадь обработки цилиндрическими Р2® площадь обработки цилиндрическими зубьями

Рис.16 Сравнение площади слоев срезаемых режущими кромками при фрезеровании винтовой стружечной канавки концевой фрезы на базе цилиндрической и торцевой инструментальной поверхности

Третья глава диссертации была посвящена созданию компьютерных моделей на базе изложенных выше методик с использованием современных CAD/CAM систем.

Данные модели необходимы для проверки и визуализации математических моделей перед проведением экспериментальных исследований.

В качестве базовой среды был выбран пакет T-FLEX CAD, так как наиболее удачно подходит для решения задач профилирования сложных винтовых поверхностей численными методами, поскольку обеспечивает наиболее наглядный вывод результатов моделирования и позволяет производить большой диапазон действий над 3D моделью с достаточной степенью точности. Описанный выше численный метод решения обратной задачи профилирования был реализован при построении трехмерной параметрической модели процесса обработки фасонной винтовой канавки инструментом прямого профиля (рис. 17).

Полученная модель позволяет проанализировать возможные разновидности профилей, которые можно получить инструментом прямого профиля за счет различных параметров установки, а также выявить ограничения данного способа по относительным размерам профилей и их формам.

Для установления взаимосвязей между размерами и формой профиля винтовой поверхности и расчетными параметрами установки инструмента были проведены исследования влияния расчетных параметров установки инструмента (а, в, а, ß и диаметр D) (рис. 4) на получаемый профиль (б-центральный угол профиля канавки, у-передний угол, alfa-задний угол, А-глубина канавки). Результатом исследования стали математические зависимости между расчетными

параметрами установки инструмента и размерами получаемого профиля фа-

410.23

сонной винтовой поверхности.

ВхоОные Зонные

и Ги.Г''"''

с [Ї5

Рис. 17 30 модель обработанной винтовой стружечной канавки концевой

фрезы и её профиль.

В ходе исследования в компьютерной модели задавался ряд значений одного расчетного параметра при неизменных значениях остальных параметров и снимались значения размеров профиля винтовой поверхности. Проводилась аппроксимация полученных результатов степенными и экспоненциальными функциями в среде Ма^сас! 14, после чего определялся коэффициент корреляции, который определяет близость между результатами, получаемыми по эмпирической зависимости и результатами моделирования.

Ниже приведен пример аппроксимации зависимости между диаметром инструмента ЭЯ и передним углом у. В примере представлены ряд заданных диаметров инструмента, полученные в результате расчета модели, ряд передних углов, а также команды Ма^сас! для определения коэффициентов

Dfl :=

где с1-

Ґ40) ( ° 1

50 11.5

55 У ~ 19

60 26.5

,65, <33.5,

' 48.50225 N

1 01 = 0.013621

W V-83.792243,

cl := expfit (Dfl ,у ,g) g

переменная, отвечающая за нахождение искомых коэффициентов

С1Г1

экспоненциальной зависимости FI(t) := clQ-e Полученная эмпирическая зависимость:

cl„

y(D) = 48.502-е0

-83.792.

Затем проводится оценка полученной эмпирической зависимости по близо-

( ° ^ '-0.157 ^

11.5 12.048

19 yl := 18.802

26.5 26.033

ч 33.5,1 ч33.774 ,

Сравнением двух рядов получаем коэффициент корреляции согг(у ,у1 ) = 0.999516

В таблицы 3 приведены полученные эмпирические зависимости между станочными параметрами установки инструмента (а, в, а, р и диаметр Б) (рис. 4) и параметрами профиля (г-число зубьев, у-передний угол, а1/а-задний угол, /з-глубина канавки), а так же коэффициент корреляции.

Эмпирические зависимости между расчетными параметрами установки на станке и размера профиля канавки концевой фрезы

Таблица 3

Эмпирические зависимости коэффициент корреляции

у(Ь) = -8.669 ■ 105 • е4МШ"" + 8.67 • 107, согг=0.998

у (а) = 2.271 ■ 10" - я-7317 + 14.543, согг=0.996

/(а) = 1.265- 10е • е2,ш"~7"'/° -1.265• 106, согг=0.943

у(Р) = 7.694 .е"м'ь"а +11.873, согг=0.995

у (О) = 48.502-е"0140 -83.792, согг=1

в(Ь) = 1.853-е004-4 +0.032, согг=1

в(а) = 0.16 - е"'61" +2.093, согг=1

в{а) = 1.867 105 • 594|1Г'« -1.866 Ю\ соп-0.986

в( Р) = -0.064 • е""72'" + 4.059. согг=0.997

<?(£>) = 391.533-0.04, согг=1

И(Ь) = -3.659 • 032' +16.368, со1т=0.999

И(а) = -663.279-е'465 ш+ 688.072, согг=1

Н(а) = 5.234-105."1Га -5.234■ 105. согг=0.998

к(Р) = -2.03• 105 .е'гш~1ь°'° + 2.03 ■ 105, согг=0.987

¡1(0) = 0.247 -О5 +0.219 соп-0.999

а№а(а) = 3.385■ 104 ■ а"1 глю" - 3.381-104, согг=0.984

аИа(а) = 0.123 • е"" +18.282, соп-0.996

Четвертая глава диссертации посвящена экспериментальным исследованиям.

Целью данного этапа является экспериментальное подтверждение адекватности математической модели формообразования фасонных винтовых канавок инструментов, а также определение условий формообразования за один проход фасонных винтовых поверхностей концевой и торцевой фрезами прямого профиля за счет параметров установки и размеров инструмента.

Все эксперименты проводились в лаборатории кафедры, на универсальноф-резерном станке модели 6Р82 с поворотной шпиндельной головкой и делительной головкой для передачи согласованного винтового движения заготовки.

В качестве инструмента применялись : - концевая фреза диаметром 20мм по ГОСТ 20533-75 из быстрорежущей стали;

- торцевая фреза «СИКФ-М», оснащенная пластинами из твердого сплава, диаметром 50 мм;

- концевая фреза диаметром 60 мм по ГОСТ 17026-71 из быстрорежущей стали;

Для проверки станочных параметров установки была адаптирована упомянутая выше модель обработки фасонных винтовых поверхностей в среде Т-Пех. В рамках модели были получены проекции взаимного расположения тел заготовки и инструмента в зависимости от расчетных параметров для получения заданного профиля. По полученным проекциям проверялись рассчитанные станочные параметры установки инструмента относительно детали.

Были определены расчетные данные для получения профиля четырехзубой концевой фрезы. В качестве заготовки использовался пруток из стали 40Х.

Полученное изделие было разрезано на сегменты и измерено. Для контроля полученного профиля была применена фототехника высокого разрешения (10 Мп). Полученная фотография была обработана в среде AutoCAD, где была сопоставлена величина dpi (пикселей на дюйм) с метрической системой координат файла чертежа за счет масштабирования. Таким образом стало возможным снимать размеры с профиля изделия с высокой точностью (0,02мм) без применения БМИ. ц.....__

Для оценки соответствия 1

Рис. 18Установка инструмента относительно заготовки.

Рис. 19 Контроль размеров полученной винтовой канавки

цевые. Конструкция и раз-

меры) и ГОСТ 17024-82 (Фрезы концевые. Технические условия.)

ГОСТ 17026-71 (Фрезы кон-

том допусков на размеры

профиля в соответствии с

инструмента (рис. 20) с учё-

полученного профиля было построено поле допуска на профиль винтовой канавки

\

+-VF

I

В таблице 4 приведены расчетные размеры профиля и допуски, соответствующие фрезе нормальной точности, а также размеры, получен-

Рис. 20 Схема построения поля допуска на профиль винтовой стружечной канавки концевой фрезы

/\ І і

ные в результате обработки. профиль

Контроль размеров полученного профиля канавки концевой фрезы

Таблица 4

Параметры профиля винтовой канавки концевой фрезы Допуск Расчетные размеры и допуски А Размеры полученного профиля

Внешний диаметр Б По із 12 25 (+/-0.105) мм 25.09

Глубина канавки Ь ІТ12/2 4 (+/-0.150) мм 4.14

Радиус спинки зуба г 1Т12/2 18 (+/-0.180) мм 17.95

Радиус дна канавки р ІТ12/2 2 (+/-0.1) 1.92

Передний угол у ±1° 14°±Г 14°

Задний угол а ±1° 10±Г Формируется на последующих операциях

Ширина ленточки/ ІТ12/2 1.5 (+/-0.1) мм Формируется на последующих операциях

Окружной шаг у ±3° 85°±3° 87

Угол спинки зуба а) ±2° 30±2° 29°

Полученный результат соответствует расчетному профилю в рамках заданной точности.

На рис. 21 приведены фотографии стружки, собранной в процессе проведения эксперимента. Изучив характер стружки, было отмечено, что 90% от объёма это она сливная, сегментная, примерно постоянного размера, а 10 % мелкой, порошкообразной стружки. Полученная стружка является подтверждением результатов математического моделирования схемы резания и определения толщин срезаемых слоев (рис. 13,14) зубьями фрезы на разных стадиях формообразования, а также подтверждает оценку объема материала снимаемого режущими кромками фрезы (рис. 16).

90% от объёма всей стружки 10% от объёма всей стружки Рис. 21 Стружка, образованная в результате обработки винтовой канавки концевой фрезы стандартной концевой фрезой за один проход.

ОСНОВНЫЕ выводы

1. В диссертационной работе решена научно-техническая задача, имеющая важное значение для инструментального производства, заключающаяся в теоретическом обосновании и экспериментальном подтверждении возможности формообразования фасонных винтовых канавок инструментов (концевых фрез и других инструментов осевой группы) концевыми и торцевыми фрезами, что в значительной степени сокращает технологическую подготовку штучного и мелкосерийного производства.

за счет исключения стадий проектирования и изготовления специального режущего инструмента.

2. В ходе исследования было выявлено, что точкой, принадлежащей профилю торцевого сечения винтовой поверхности на заданном участке, является точка на профиле инструмента, которая при вращении ее вокруг оси инструмента будет расположена в подвижной системе координат, связанной с торцевым сечением заготовки, на минимальном расстоянии от оси заготовки, что положено в основу математической модели метода решения обратной задачи профилирования.

3. Экспериментально подтверждено, что разработанный численный метод решения обратной задачи профилирования (нахождение профиля производящей поверхности по известному профилю исходной поверхности), позволяет определить профиль винтовых стружечных канавок инструментов (концевых фрез и других инструментов осевой группы) при обработке концевыми и торцевыми фрезами в зависимости от станочных параметров установки {а, в, а, Р и диаметр Б) с заданной степенью точности.

4. Разработанная математическая модель определения толщины слоев срезаемых зубьями фрезы в процессе формообразования в зависимости от числа зубьев г, диаметра фрезы Б и подачи на зуб позволила сформировать схему резания. Проведенные исследования схемы резания показали, что при различных сочетаниях станочных параметров установки а, в, а, |3 и диаметра О фрезы возможны две принципиальные схемы формообразования на базе цилиндрической и торцевой исходной инструментальной поверхностей.

5. Проведенные исследования толщин слоев срезаемых зубом фрезы на различных стадиях формообразования винтовой стружечной канавки концевой фрезы диаметром 0=25 с числом зубьев /г-А показали, что при использовании в качестве инструмента концевой фрезы диаметром с!=20 мм и с числом зубьев Ъ=4 толщина срезаемого слоя цилиндрическими зубьями возрастает вдоль режущей кромки на всех участках, также растет величина кинематического заднего угла в диапазоне от 0.2° до 3.85°. При этом толщина слоев, срезаемых торцевыми зубьями, уменьшается к центру фрезы, а кинематический задний угол изменяется от 1° до 0.23°.

6. Проведенные исследования толщин слоев, срезаемых зубом фрезы на различных стадиях формообразования винтовой стружечной канавки концевой фрезы диаметром 0=25 с числом зубьев г=4 показали, что при использовании в качестве инструмента торцевой фрезы диаметром 0=50 мм и числом зубьев Z=8, толщина срезаемого слоя торцевыми зубьями изменяется неравномерно, а также изменяется величина кинематического заднего угла в большом диапазоне (от 0° до 5°). При этом максимальные толщина срезаемого слоя и значения кинематических задних углов приходятся преимущественно на вершину зуба.

7. Фрезерование винтовых стружечных канавок концевой фрезой характеризуется более благоприятными условиями изменения кинематических задних углов и равномерностью нагрузки на режущую кромку, чем фрезерование торцевой фрезой. Однако, проведенные исследования показали, что способ фрезерования торцевой фрезой позволяет получать профиль в более широком диапазоне размеров.

8. Разработанный численный метод решения обратной задачи профилирования реализован в виде компьютерной модели обработки фасонной винтовой канавки инструмента концевыми и торцевыми фрезами в среде Т-Р1ех. Компьютерная модель формирует профиль канавки при заданных станочных параметрах установки и диаметра

инструмента, что позволяет проверить эмпирические зависимости между размерами профиля винтовой канавки и станочными параметрами установки инструмента. Установлено, что аппроксимация степенными и экспоненциальными функциями обеспечивает наилучший коэффициент корреляции.

9. Установлено, что при фрезеровании стандартной концевой фрезой диаметром 0 20мм винтовой стружечной канавки заготовки фрезы с числом зубьев г=4, у=14°, а!=30°, г=18мм, р=2мм, Ь=4мм, получен профиль со следующими отклонениями: А у=0°, До(1=-10, Д г=-0.05мм, Др=-0.08мм, Д И=0.14мм, Д \|/=2°, что укладывается в установленные допуски.

10. Проведенный анализ формы и размеров стружки показал, что при формообразовании на базе цилиндрической инструментальной поверхности цилиндрическими зубьями снимается 90% от объёма стружки (стружка сливная, сегментная, постоянного размера), а 10 % мелкой, порошкообразной стружки снимается торцевыми зубьями, что подтверждает адекватность модели определения толщин срезаемых слоев режущими кромками.

11. Результаты работы используются в научно-исследовательском и образовательном процессах ФГБОУ ВПО МГТУ "СТАНКИН" в виде программ и методических материалов в рамках учебных курсов «Инструментальные системы интегрированных машиностроительных производств», «Компьютерная графика при проектировании инструментальной техники», «Информатика в инструментальном производстве» кафедры ИТиТФ. Разработка нового способа обработки винтовых канавок инструментов внедрена на ОАО "Станкоагрегат" и представлена для реализации на ОАО "МИЗ".

Основные материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Домннн П.В. Точность профилирования при обработке винтовой фасонной поверхности /Ю.Е.Петухов, Домнин П.В. // Журнал СТИН №7-2011, Москва, с. 14-17.

2. Домнин П.В. Способ формообразования фасонной винтовой поверхности стандартным инструментом прямого профиля./ /Ю.Е.Петухов, Домнин П.В.// Вестник МГТУ "Станкин" № 3 (15), 2011, с. 102-106.

3. Домнин П.В. Компьютерное моделирование обработки винтовой канавки на заготовке концевой фрезы /Ю.Е.Петухов, Домнин П.В. / "Известия МГТУ МАМИ" №2 (12) - 2011. М. С- 156-164.

4. Домнин П.В. Решение обратной задачи профилирования на базе схемы численного метода заданных сечений /Ю.Е.Петухов, Домнин П.В. / "Инженерный журнал СПРАВОЧНИК" №11 2011, с. 26-29.

5. Домнин П.В. Фрезерование фасонных винтовых поверхностей деталей фрезами с заданным профилем / Домнин П.В., Петухов Ю.Е.// докл. XII научная конференция МГТУ «Станкин» и «Учебно-научного центра Математического моделирования МГТУ «Станкин» - ИММ РАН» по математическому моделированию и информатике (14 - 15 МАЯ 2009 г.). - С. 267-269.

6. Домнин П.В. Моделирование схемы резания процесса формообразования фасонных винтовых поверхностей / Домнин П.В., Петухов Ю.Е.// докл. XIII научная конференция МГТУ «Станкин» и «Учебно-научного центра Математического моделирования МГТУ «Станкин» - ИММ РАН» по математическому моделированию и информатике (12-14 МАЯ 2010 г.). - С. 173-175.

7. Домнин П.В. Исследование численными методами влияния параметров установки на профиль инструмента для обработки винтовых поверхностей / Домнин П.В., Алисов A.A., Атрощенкова Т.С. // докл. Третья Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов с международным участием " Будущее машиностроения России", Москва 22-25 сентября 2010г. - С. 19-20

8. Домнин П.В. Применение численных методов в инструментальной технике /Ю.Е.Петухов, Домнин П.В., Алисов А.А// - докл. XXII Международная инновационно-ориентированная конференция молодых учёных и студентов «Будущее машиностроения России» (МИКМУС-2010), Москва, 26-29 октября 2010 года. - С. 158

9. Домнин П.В. Компьютерная модель формообразования сложной поверхности /Ю.Е.Петухов, Домнин П.В. // - докл. Международная научно-техническая конференция «Автоматизация: проблемы, идеи, решения» 6-10 сентября 2010 года г. Севастополь. - Том 1., - С. 197-200

10. Домнин П.В. Применение стандартной концевой фрезы прямого профиля для обработки фасонной винтовой поверхности /Ю.Е.Петухов, Домнин П.В. //докл. III научно-образовательная конференция «Машиностроение. Традиции и инновации», Москва, МГТУ «Станкин», с 30 ноября по 1 декабря 2010 года. -ссекция «Машиностроительные технологии» -С. 157-168.

11. Домнин П.В. Определение профиля винтовой поверхности на базе схемы численного метода заданных сечений /Ю.Е.Петухов, Домнин П.В. // - докл. Международная научно-практическая конференция «Фундаментальные проблемы и современные технологии в машиностроении» . Москва, ФГУП ММГТП «Салют», 2010 г. - С. 571-573.

12. Домнин П. В. Профилирование обрабатываемой винтовой поверхности / Домнин П.В. // - Докл. III международная научно-практическая конференция «Модернизация машиностроительного комплекса России на научных основах технологии машиностроения (TM-2011)», Брянск, 19-20 мая 2011г. с. 265-266.

13. Домнин П. В. Моделирование схемы резания процесса формообразования фасонных винтовых поверхностей инструментом прямого профиля./ Ю.Е.Петухов, Домнин П.В.// Всероссийская научно-образовательная конференции «Машиностроение - традиции и инновации». МГТУ «СТАНКИН». Москва. Сборник статей; 2011 - с.

14. Домнин П.В. Положительное решение о выдаче патента на изобретение, «Способ изготовления фасонной винтовой стружечной канавки концевой фрезы» от 15.11.2011, заявка № 2010125848 от 24.06.10/ Петухов Ю.Е., Домнин П.В. //

15. Домнин П.В. Shaping Precision in Machining a Screw Surface./ Yit. E. Petakhov and P. V. Domain. II Russian Engineering Research ISSN 1068-798X Vol. 31, No. 10, 2011 p. 1013 Входит в индекс цитирования SCOPUS.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Домнин Пётр Валерьевич

Разработка процесса формообразования фасонных винтовых поверхностей инструментов на основе применения стандартных концевых и торцевых фрез

Подписано в печать 11.04.2012.

Формат 60х 90 1/16. Бумага 80 г.

Усл. печ. л. 1.75. Тираж 110 экз. Заказ 79 .

Отпечатано в Издательском центре ФГБОУ ВПО Московский государственный технологический университет <<СТАНКИН>> 127055, Москва, Вадковский пер.. За Тел.: 8(499)973-31-93

61 12-5/2499

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «СТАНКИН» (ФГБОУ ВПО МГТУ «СТАНКИН»)

Разработка процесса формообразования фасонных

винтовых поверхностей инструментов на основе применения стандартных концевых и торцевых фрез

Специальность 05.02.07 Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

ДИССЕРТАЦИЯ на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Домнин Пётр Валерьевич

УДК621.9

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Петухов Ю. Е.

Москва-2012

СОДЕРЖАНИЕ

Введение..........................................................................................................................4

Принятые обозначения...................................................................................................7

Глава 1. Анализ научно-технической литературы по теме исследования................8

1.1 Анализ направлений исследований проводённых другими авторами................8

1.1.1 Винтовые поверхности..........................................................................................8

1.1.2 Анализ направлений развития методов проектирования инструментов для обработки фасонных винтовых поверхностей...........................................................11

1.2 Методы и инструменты для обработки фасонных, в том числе винтовых поверхностей, обоснование необходимости их использования при фрезеровании винтовых поверхностей деталей.................................................................................17

1.3 Анализ функциональных связей как между факторами, так и между факторами и показателями процесса формообразования винтовых поверхностей концевыми фрезами......................................................................................................24

1.4 Постановка цели и задач исследования................................................................31

Глава 2. Решение задачи определения профиля стружечной канавки инструмента при известной форме формообразующего инструмента..........................................37

2.1 Формы профиля винтовых стружечных канавок различных инструментов.... 37

2.1.1 Математическая модель профиля стружечной канавки концевой фрезы.....41

2.1.2 Математическая модель профиля стружечной канавки сверла......................43

2.2 Форма зубьев концевых фрезы.............................................................................46

2.2.1 Угол наклона винтовых зубьев со концевой фрезы..........................................53

2.2.2 Число зубьев концевой фрезы...........................................................................57

2.3 Способ формообразования стружечный канавок инструментов. Параметры установки формообразующего инструмента.............................................................59

2.4 Разработка метода решения задачи определения профиля стружечных канавок при известной форме формообразующего инструмента..........................................64

2.5 Разработка метода определения размеров толщин срезаемых слоев и построение схемы резания при обработки винтовых стружечных канавок стандартными фрезами прямого профиля..................................................................73

2

2.6 Выводы по главе.....................................................................................................92

Глава 3. Программная реализация модели процесса обработки винтовых поверхностей инструментом с прямолинейными режущими кромками................93

3.1 Разработка и исследование модели обработки стружечной канавки концевой фрезы в среде T-flex (решение обратной задачи профилирования)........................93

3.1.1 Разработка модели обработки стружечных канавок концевой фрезой.........99

3.1.2 Разработка модели обработки стружечных канавок торцевой фрезой........103

3.2 Разработка и исследование модели формирования схемы резания при обработке фасонной винтовой поверхности в среде T-flex...................................104

3.3 Исследования влияния параметров установки инструмента с цилиндрической исходной инструментальной поверхностью на профиль винтовой фасонной канавки концевых фрез средствами Mathcad 14......................................................107

3.4 Выводы по главе...................................................................................................131

Глава 4. Экспериментальные исследования обработки фасонных винтовых поверхностей инструментом с прямолинейной образующей исходной инструментальной поверхности................................................................................132

4.1 Определение станочных параметров установки инструмента.........................132

4.2 Экспериментальное исследования процесса фрезерования винтовой стружечной канавки концевой фрезы стандартной концевой фрезой за один проход..........................................................................................................................138

4.2.1 Обработка стальной заготовки четырехзубой концевой фрезы...................140

4.2.2 Определение поля допуска на профиль винтовой стружечной канавки концевой фрезы...........................................................................................................143

4.2.3 Исследование формы стружки, полученной в процессе обработки стальной заготовки концевой фрезы.........................................................................................145

4.3 Обработка стружечных канавок инструментов различного профиля.............146

4.4 Выводы по главе...................................................................................................158

Основные выводы.......................................................................................................160

Список литературы.....................................................................................................163

Приложения.................................................................................................................171

Введение

Современная промышленность характеризуется значительным увеличением создания, освоения и внедрения в производство новых высокоэффективных технологий, машин и техники, обеспечивающих рост производительности предприятия, улучшение качества выпускаемой продукции, повышение ее конкурентоспособности. Это обеспечивается за счет усовершенствования технологий, что неизбежно влечет за собой усложнение узлов и деталей, разработку и использование новых материалов, которые требуют совершенствования методов обработки, конструкции станков, режущих инструментов и методов их проектирования.

Основным способом достижения необходимой точности и качества поверхностного слоя деталей в металлообработке является механическая обработка и, в частности, обработка резанием. Каждый элемент системы СПИД играет ключевую роль в процессе механической обработки, но режущий инструмент требует особого внимания, так как быстро изнашивается в сравнении с другими элементами системы и в большей мере влияет на качество и эффективность всего процесса обработки.

Особенно возрастает роль режущего инструмента в условиях безлюдных технологий гибкого автоматизированного производства, так как затраты на инструмент с 3-5 % при неавтоматизированном производстве в условиях ГПС достигают значительных размеров (20-25 % в себестоимости обработки).

Современное направление развития проектирования режущих инструментов связано с созданием систем автоматизированного проектирования (САПР), позволяющих с помощью современных вычислительных систем комплексно решать вопросы, возникающие на всех этапах проектирования и изготовления инструментов на базе лучших решений, полученных в результате целенаправленного поиска.

Среди многообразия типов и форм режущих инструментов значительную часть составляют инструменты со сложными рабочими и, в частности, винтовыми поверхностями. Необходимость в них диктуется не только конструктивными

4

особенностями инструмента, но и обусловлено тем, что, как правило, они обеспечивают более высокие эксплуатационные показатели, позволяющие в ряде случаев повысить производительность обработки, снизить динамические нагрузки на систему СПИД и увеличить тем самым точность обработки, улучшить условия резания, повысить качество обрабатываемой поверхности, обеспечить транспортировку стружки из зоны резания и т.д. Кроме того, на ряде ответственных деталей машиностроения рабочие поверхности также выполнены винтовыми, в частности, на лопатках турбин, роторах и лопастях циклоидальных насосов и др. Проектирование режущих инструментов для обработки этих поверхностей и их изготовление является наиболее сложными вопросами инструментального производства.

Это обстоятельство объясняется тем, что нет однозначного соответствия между профилем инструмента для обработки деталей с винтовой поверхностью и профилем этой поверхности. В связи с этим требуется разработка и использование различных методов профилирования, которые учитывают профили производящей и исходной поверхности, кинематику процесса формообразования, а также параметры установки инструмента на станке относительно заготовки. В связи с этим, при обработке винтовых поверхностей на станке возникают погрешности профиля полученного изделия из-за отличий между расчетными и фактическими размерами профиля инструмента, а также расчетными параметрами установки инструмента и его реальной установкой на станке, которые, кроме того, могут меняться при обработке, например, вследствие износа инструмента или из-за динамических нагрузок вследствие недостаточной жесткости системы СПИД.

Износ инструмента для обработки винтовых поверхностей неравномерный, вследствие того, что нагрузка на различные области режущей части разная из-за рознящихся скоростей резания и объемов срезаемого материала. Это приводит к низкой стойкости инструмента, что в свою очередь серьезно сказывается на себестоимости конечной продукции. До недавнего времени весь инструмент для обработки винтовых поверхностей изготавливался из быстрорежущих сталей, и в

силу своих свойств он не обладает высокой стойкостью и производительностью. В настоящее время данный инструмент изготавливают преимущественно цельным твердосплавным. Он отличается повышенной стойкостью и производительностью, но срок службы продлевается не надолго, по причине малого количества возможных переточек или отсутствия таковых вообще.

Наиболее распространенный способ обработки фасонных винтовых канавок предусматривает в качестве режущего инструмента фасонную дисковую фрезу. Установка инструмента при обработке детали с винтовой поверхностью определяется относительным положением их осей и характеризуется в общем случае следующими параметрами: у/ - углом (или величиной Г), определяющим положение точки скрещивания осей инструмента и детали от исходного положения профиля; £ - углом скрещивания осей; т - межосевым расстоянием.

Однако данный способ обработки обладает рядом недостатков, к которым следует отнести в первую очередь трудоемкость технологической подготовки производства, которая обусловлена:

- сложностью проектирования;

- сложностью изготовления;

- необходимостью в большой номенклатуре режущего инструмента;

- сложностью, а зачастую невозможностью оснащения современными инструментальными материалами.

С целью сократить номенклатуру необходимого инструмента и, в некоторых случаях отказаться от проектирования и изготовления фасонных фрез, предлагается применять способ обработки винтовых фасонных поверхностей концевыми и торцевыми фрезами, в том числе оснащенными современными инструментальными материалами.

Это особенно актуально в условиях единичного и мелкосерийного производства, когда изготовление специального инструмента второго порядка себя не оправдывает. Также применение такого способа наиболее актуально в условиях инструментального цеха машиностроительного предприятия, так как

позволяет изготавливать нестандартные инструменты без специального проектирования и изготовления инструмента второго порядка.

Особенностью данного способа является специальное позиционирование режущего инструмента относительно заготовки с последующим фрезерованием винтовой канавки за один проход. В качестве режущего инструмента может использоваться концевая или торцевая фреза.

Таким образом, решение задачи о возможности обработки фасонной винтовой поверхности фрезой с заданным профилем представляет не только научный, но и большой практический интерес.

Принятые обозначения.

у/ - угол, определяющий положение точки скрещивания осей инструмента и детали от исходного положения профиля; £ - углом скрещивания осей; т - межосевым расстоянием;

СПИД - система «Станок — приспособление — инструмент — деталь» (система технологического процесса);

ГПС - Гибкие производственные системы; САПР - система автоматизированного проектирования; Г- геликойд; В — диаметр фрезы; г— число зубьев; к — глубина канавки; у — передний угол; а - задний угол;

0С1 (ас) — угол наклона касательной к спинке зуба; р — радиус скругления дна канавки; / — величина фаски.

фс — угол наклона главной режущей кромки к оси сверла; Примечание: используются другие локальные обозначения с расшифровкой в тексте.

Глава 1. Анализ научно-технической литературы по теме

исследования

1.1 Анализ направлений исследований проводённых другими авторами.

Имеется ряд научных работ и публикаций, в которых исследованы процессы формообразования фасонных винтовых поверхностей, а также методы проектирования инструмента для обработки таких поверхностей. Часть из этих работ посвящена общим задачам обработки винтовых поверхностей, а также погрешностям при обработке и методам повышения точности (Семенченко И.И., Воробьев В.М., Гречишников В.А., Борисов А.Н., Илюхин С.Ю., Колесов Н.В., Клепиков №№ Лашнев С.И., Петухов Ю.Е., Сахаров Г.Н., Цепков A.B., Юликов М.И., Родин П.Р., Агарков A.A. и др.) Результаты некоторых этих работ применительно к концевым и торцевым фрезам ограничены лишь отдельными примерами.

Имеется также описание общих математических моделей на основе методов математического моделирования и оптимизации (Гречишников В.А., Петухов Ю.Е., Колесов Н.В. и др.) применительно к процессам формообразования и профилированию инструмента. Однако к настоящему времени процесс формообразования винтовых поверхностей фрезами достаточно подробно изучен в отношении дисковых фрез, причем исследованию в основном подверглось направление профилирования.

Таким образом, имеется ряд исследований, где решены некоторые весьма сложные научно-технические задачи профилирования, которые касаются и отдельных аспектов применения стандартных инструментов с прямолинейным профилем (концевые и торцевые фрезы) для обработки фасонных винтовых поверхностей. Однако полного и общего исследования не проводилось.

1.1.1 Винтовые поверхности.

Винтовая поверхность образуется винтовым перемещением линии (образующей). Поверхность можно задать начальным положением образующей и направляющей - цилиндрической винтовой линией.

В технике часто встречаются винтовые поверхности, образованные при винтовом движении прямой. Такие поверхности называются геликоидами. В зависимости от величины угла наклона образующей к оси геликоиды бывают прямыми, если угол равен 90°, и наклонными (косыми), если угол -произвольный, отличный от 0 и 90°.

Прямой геликоид имеет другое название - прямой коноид, т.к. прямолинейные образующие пересекают ось и винтовую направляющую, оставаясь параллельными одной и той же плоскости, перпендикулярной оси геликоида. Поэтому эта поверхность может быть задана двумя способами и иметь два определителя Г (1, 1 Ь), и Г (1, а, Т), где [ - ось геликоида, 1 - образующая прямая, Ъ. - шаг винтового движения, а - направляющая, Т - плоскость параллелизма, которая может совпадать с П1 либо с П2. На рис. 1.1 показаны проекции элементов определителей, плоскость Т совпадает с П1, поэтому образующие поверхности являются горизонталями, пересекающими ось ь

Рис. 1.1 Прямой геликойд

Наклонный, или архимедов, геликоид отличается от прямого геликоида тем, что его прямолинейная образующая пересекает ось I геликоида под постоянным углом Ь. Образующая геликоида пересекая две направляющие ось 1 и направляющую гелису а на цилиндре, остается параллельной образующим некоторого конуса вращения с вершиной Б, имеющего общую ось с винтовой линией и угол между образующей и осью, равный углу Ь.

На рисунке 1.2 показано построение каркаса прямоугольных образующих наклонного геликоида Г 1, а) на ортогональном чертеже очертание геликоида на фронтальной проекции получается как огибающая семейства прямолинейных образующих. В сечении геликоида плоскостью ((52) перпендикулярной его оси (нормальное сечение) получается спираль Архимеда.

52 Направляющий ЫГ / конус

Спираль Архимеда

Рис. 1.2 Наклонный геликоид.

Прямые и наклонные геликоиды подразделяются на закрытые и открытые. Признаком для такого деления служат взаимное расположение оси геликоида и образующей. Если образующая и ось пересекаются, геликоид называют закрытым, если скрещиваются - открытым. Выше были рассмотрены закрытые геликоиды.

Следует отметить одно важное свойство винтовых поверхностей, состоящее в том, что они могут сдвигаться, т.е. совершая винтовое перемещение поверхность скользит вдоль самой себя. Это свойство обеспечивает винтовым поверхностям широкое применение: винты, шнеки, сверла, пружины, поверхности лопаток турбин и вентиляторов, рабочие органы судовых движителей, конструкции винтовых линий и др. Винтовые поверхности, и в ч