автореферат диссертации по машиностроению и машиноведению, 05.02.07, диссертация на тему:Разработка сборных фрез со сменными многогранными твердосплавными пластинами, расположенными на винтовой поверхности, для обработки заготовок с фасонным профилем

0050П 000 На правах рукописи

Исаев Александр Вячеславович

Разработка сборных фрез со сменными многогранными твердосплавными пластинами, расположенными

на винтовой поверхности, для обработки заготовок с фасонным профилем

Специальность 05.02.07 Технология и оборудование механической и физико-технической обработки

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 МАР 2012

Москва, 2012

005011856

Работа выполнена на кафедре «Инструментальная техника и технология формообразования» ФГБОУ ВПО МГТУ «Станкин»

Ведущая организация:

ФГБОУ ВПО «Московский государственный индустриальный университет»

диссертационного совета Д.212.142.01 при ФГБОУ ВПО МГТУ «Станкин» по адресу: 127994, г. Москва, ГСП-4, Вадковский пер., д. 1.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ФГБОУ ВПО МГТУ «Станкин»

Ваш отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенный печатью учреждения (организации), просим направить по указанному выше адресу в диссертационный совет Д.212.142.01.

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Гречишников Владимир Андреевич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Максимов Юрий Викторович кандидат технических наук Меркулов Леонид Петрович

2012 г.

Ученый секрета] диссертационно]

¡олосова Марина Александровна

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Обработка деталей, имеющих поверхности сложной формы, занимает значительное место на предприятиях машиностроительной отрасли. В настоящее время существует значительное разнообразие подходов к решению производственных задач, связанных с обработкой деталей со сложными фасонными поверхностями.

Одним из наиболее распространенных видов металлорежущего инструмента, применяемого при фасонной обработке, являются фрезы. В современной промышленности существует определенный круг производственных задач, требующий применения фасонных фрез со сменными многогранными пластинами. К таким задачам относится, в частности, обработка направляющих сложной формы, колесных пар локомотивов, деталей, используемых в строительстве, автомобильной и авиационной промышленности, и т. п.

Применение для фасонной обработки сборных конструкций фрез с режущими пластинами, механически закрепленными в корпусе инструмента, позволяет, по сравнению с цельными или составными конструкциями, существенно повысить стойкость фрезы, увеличить экономию твердого сплава, обеспечить необходимую форму передней поверхности за счет конфигурации режущего элемента, что может быть весьма выгодно с экономической точки зрения. Расположение режущих пластин под углом к оси фрезы обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с ориентацией их параллельно оси. К ним относятся: улучшение равномерности фрезерования, уменьшение вибраций, возникающих в процессе резания, увеличение прочности режущей кромки, снижение усилий, действующих в процессе фрезерования, повышение стойкости фрез, создание дополнительных условий для стружкодробления. Расположение режущих элементов на соседних зубьях со смещением друг относительно друга, строго говоря, не является винтовым. Однако совокупность режущих кромок сменных твердосплавных пластин образует общую дискретную режущую кромку, кото-

рая может быть описана как винтовая линия переменного (иррегулярного) характера.

Анализ доступных научных работ, патентных документов и технических рекомендаций ведущих фирм-производителей режущего инструмента показал, что вопросы проектирования и изготовления сборных фасонных фрез с режущими элементами, расположенными на иррегулярной винтовой поверхности, в настоящее время проработаны недостаточно. Это означает, что существующие методики проектирования сборных фрез имеют ограниченное применение к проектированию указанных конструкций, поскольку в них не рассматриваются или не достаточно проработаны вопросы влияния ориентации режущих пластин в корпусе фрезы на геометрические параметры режущей части, особенности технологии изготовления таких фрез и способы достижения требуемой точности обработанной поверхности детали. Не разработаны методы оценки точности расположения режущих пластин на иррегулярной винтовой линии, лежащей на фасонной образующей исходной поверхности инструмента, а также рекомендации по изготовлению и эксплуатации таких конструкций фрез.

Таким образом, создание системы проектирования фасонных фрез с режущими пластинами, расположенными на иррегулярной винтовой поверхности, а также разработка рекомендаций по изготовлению и эксплуатации таких фрез является актуальной научно-технической задачей.

Целью представленной работы является разработка и исследование конструкций сборных фасонных фрез, оснащенных сменными многогранными пластинами (СМП), режущие кромки которых расположены по иррегулярной винтовой линии, лежащей на исходной инструментальной поверхности с криволинейной образующей, на основе определения взаимосвязей конструкторских и технологических решений и методов математического моделирования.

Методы исследования. Построение модели рассматриваемой конструкции инструмента основано на базе фундаментальных положений теории проек-

тирования режущих инструментов, с использованием аппарата аналитической и дифференциальной геометрии, векторно-матричного анализа, методов математического и компьютерного программирования и средств компьютерной графики. Изготовление модели корпуса фрезы рассматриваемой конструкции осуществлено методами быстрого прототипирования. Научная новизна работы заключается в:

— математической модели дискретной режущей кромки сборной фасонной фрезы с СМП, расположенными на иррегулярной винтовой поверхности;

— математической модели формообразующей части фасонных фрез с режущими пластинами, расположенными на иррегулярной винтовой поверхности, учитывающей влияние расположения пластин в корпусе инструмента на параметры точности и шероховатости обрабатываемой заготовки и особенности технологического процесса изготовления корпуса фрезы;

— закономерностях изменения геометрических параметров вдоль режущих кромок пластин сборной фасонной фрезы с учетом изменения угла наклона винтовой стружечной канавки на фасонной исходной инструментальной поверхности инструмента;

— математической модели и определении параметров установки на станке заготовки корпуса спроектированной фрезы для обработки посадочных мест под режущие пластины;

— алгоритме формообразования криволинейных участков фасонного профиля детали при обработке фрезами с СМП, имеющими режущую кромку в форме отрезка прямой, установленными определенным образом в корпусе инструмента.

Практическая ценность работы заключается в:

— рекомендациях по проектированию сборных фасонных фрез с СМП, расположенными на иррегулярной винтовой поверхности;

— алгоритме проектирования конструкции сборных фасонных фрез с СМП, расположенными на иррегулярной винтовой поверхности;

— программных средствах, обеспечивающих создание трехмерной модели фасонной фрезы с использованием методов компьютерного геометрического моделирования в различных системах САПР, на основе разработанных алгоритмов;

— геометрической трехмерной модели, используемой для генерации управляющей программы многокоординатного обрабатывающего центра с ЧПУ, обрабатывающего корпус спроектированного инструмента;

Достоверность полученных теоретических положений подтверждается компьютерным моделированием конструкции сборной фасонной фрезы и изготовлением модели данной конструкции методами быстрого прототипирования.

Апробация работы. Основные положения и наиболее существенные разделы работы доложены на научно-образовательной конференции «Машиностроение — традиции и инновации» (МТИ-2010), всероссийской молодежной конференции «Инновационные технологии в машиностроении» (ИТМ-2011), на совместном техническом совете ОАО «МИЗ» (Московский инструментальный завод) и кафедры «Инструментальная техника и технология формообразования» (ИТ и ТФ), а также на заседаниях кафедры ИТ и ТФ МГТУ «Станкин».

Публикации по теме работы. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 5 — в изданиях, включенных в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, выводов по каждой из глав, заключения, списка использованных источников из 102 наименований и приложений. Работа содержит 200 страниц машинописного текста, 58 рисунков и 6 таблиц.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы работы. Сформулированы основные положения, выносимые на защиту, показана ее практическая ценность и научная новизна.

В первой главе приведен краткий обзор существующих конструкций сборных фасонных фрез и методов их проектирования на основе анализа имеющихся научных и научно-практических работ по этой теме. С учетом теоретических положений, приведенных в известных работах (Боровой Ю. С., Киселев А. С., Гречишников В. А., Петухов Ю. Е., Веселов А. И., Борисов С. В., Чулин И. В., Лоладзе Т. Н., Куц В. В., Чевычелов С. А., Шитиков А. Н. и других) проведен анализ параметров, влияющих на технологические, конструктивные и точностные характеристики сборных фасонных фрез с режущими пластинами, расположенными на винтовой линии. На основании проведенного анализа имеющихся на текущий момент исследований в области расчета, проектирования и эксплуатации сборных конструкций фасонных фрез с пластинами, расположенными на винтовой линии, показан недостаточный уровень теоретической базы и программных средств для решения задачи проектирования фрез рассматриваемой конструкции.

Во второй главе представлены варианты соотношения угла наклона стружечной канавки фрезы а и угла наклона режущей кромки пластины Л„м размещенной в корпусе. Создана система исходных данных для проектирования сборных фасонных фрез рассматриваемой конструкции и разработан общий алгоритм проектирования инструмента данного типа (рис. 1). Дан анализ схем резания, которые следует применять при обработке заготовок рассматриваемым типом фрез. Проведен анализ возможных форм и размеров обрабатываемых поверхностей и определены соответствующие ограничения на параметры обрабатываемого профиля. Приведено описание созданной математической модели дискретной режущей кромки сборной фасонной фрезы с С МП, расположенными на иррегулярной винтовой линии.

Для анализа логической схемы конструкции инструмента и оценки его работоспособности разработана математическая модель конструкции в виде гиперграфа Г] = (х„ Е), где XI — множество вершин, хпеЕ является множеством

Критерии подбора

7

Исходные данные проектирования

Описание формы профиля образующей ИИП

<!Т

Подбор числа и формы пластин, обрабатывающих профиль заготовки

Подбор величин углов резания

Л

Описание винтовой стружечной канавки, лежащей на фасонной _образующей ИИП_

Расчет положения пластин относительно обрабатываемой поверхности

Подбор габаритных размеров

Ї2-

Определение оптимальных геометрических параметров режущей части

Блок подбора параметров

Подбор режимов резания

Расчет габаритных размеров _фрезы__

Расчет параметров положения пластин в корпусе фрезы

ЗИ

Подготовка данных для управляющей программы станка 2-го порядка

ГУ

Расчет эксплуатационных параметров фрезы

! Вывод результата ^

Рис. 1 Общий алгоритм проектирования сборных фасонных фрез с СМП, расположенными на ИБП.

ребер и одновременно подмножеством вершин х1 сх„, которые определяют некоторый конструктивный элемент или его параметр (рис. 2). Данная модель является открытой и может видоизменяться в соответствии с конкретными техническими требованиями без изменения начальной структуры. Графовое описание структуры объекта может быть реализовано в виде реляционной базы данных, к которой применимы правила нормализации.

На следующем этапе

работы создана математическая модель дискретной режущей кромки, расположенной на винтовой линии и состоящей из совокупности точек режущих кромок пластин, размещенных на зубьях фрезы. Эти точки в рамках данной работы называются базовыми точками А. При решении задачи определения положения режущих пластин в корпусе сборной фасонной фрезы рассматриваемой конструкции необходимо рассчитать координаты базовых точек, лежащих на винтовой линии суммарной режущей кромки, расположенной, в свою очередь, на фасонной исходной поверхности инструмента. Расчет положения главных базовых точек производится в системе координат детали.

1x1 © (©I 1x2

¥— V 1x0 т

РЧ

X

г

РИ

кч

РЭ

_ХЦ

оэ

_

1x2

кэ УЭ

*21 Х22

(ХпМ2/ 1x12

Е

УКРЭ УКОЭ

*211 Ш

Нй

1x21

1x221

ЭУИБРЭ

Х221

К

£

'х22

1x222

Х2221 |] *2222

1x211 1x212

1x2211

А

К

Фасонная исходная поверхность фрезы представляет собой тело вращения с образующей сложной формы. Совокупность режущих кромок пластин, расположенных на одном зубе и формирующих окончательную поверхность детали, может быть представлена как непрерывная режущая кромка условного зуба, а за переднюю поверхность условного зуба принята поверхность, образующая

которой проходит через базовые точки и нормальна к оси фрезы. Эта передняя винтовая поверхность представляет собой коноид и образована за счет сложного движения прямой линии, которое состоит из вращательного движения вокруг оси ОХ и одновременного поступательного перемещения вдоль этой оси (рис. 3).

Фасонная исходная поверхность фрезы представлена как семейство окружностей, радиус которых изменяется вдоль оси вращения ОХ с некоторым шагом. Для нахождения положения режущей кромки условного зуба необходимо определить точки пересечения этих окружностей с коноидом. Таким образом, математическая модель винтовой линии представлена в виде:

, г- Уг

'х2211 1x2212 1x2221 'х2222

Рис. 2. Граф конструкции (а) сборной фасонной фрезы с СМП, расположенными на иррегулярной винтовой поверхности

Передняя поЬерхность

Режцщая кронка цслойного зуба

Г,. = ^^

2, =Я,./а/(я2(Х,/Р) + 1. Координата 1", здесь соответствует координате главной базовой точки хЛ1, Я — радиус сечения исходной поверхности, Р шаг винтовой ли-

Рис. 3 Расположение режущих пластин вдоль иррегулярной нии. Данная модель винтовой линии, лежащей на фасонной ИИП фрезы обеспечивает постоян-

ство осевого шага Я = Сот?, а угол наклона винтовой линии со изменяется в зависимости от радиуса исходной поверхности.

При постоянном осевом шаге винтовой линии изменение радиуса фасонной образующей поверхности вращения влечет за собой изменение угла наклона винтовой линии (рис. 4а). При большой глубине профиля и относительно малом шаге винтовой линии неравномерность угла наклона винтовой линии

р = СопяГ, О, < <со2

го ~ Сопя!;

Рис. 4 Характер иррегулярности винтовых линий, лежащих на фасонной образующей ИИП фрезы

увеличивает неравномерность условий работы и износа режущих кромок на разных участках фрезы. Поэтому следует применять расположение режущих пластин вдоль винтовой линии с постоянным шагом лишь на фасонных инструментах с незначительным перепадом высот профиля образующей, а на инструментах с большей глубиной профиля следует использовать винтовые линии с переменным шагом и постоянным углом наклона к оси инструмента (рис. 46).

Математическая модель винтовой линии с постоянным углом наклона, лежащей на фасонной исходной поверхности инструмента, имеет вид:

где /х, — угол наклона винтовой линии к оси вращения в данной точке. Обозначим радиус-вектор, задающий положение текущей главной базовой точки А, относительно точки начала координат О как О А (рис 5).

Л .. п„....................

Рис. 5 Схема определения угла у/, задающего положение текущей главной базовой точки А.

Угол поворота ц/ радиус-вектора ОА в плоскости ¥07 находится из вы-

У. = ±.Д2 - г/ ;

ражения

Приращение угла ц/ в текущей главной базовой точке

А,- относительно предыдущей равно Л у/,. = (//, - .Тогда знак в выражениях для У; и Zi в приведенной выше системе определяется исходя из:

[1, у, + Ау,.с (-90°-А; 90°-Л:) 8^(2,) = <0, у/,+ Ау/, = {90° ■ к)

{-1, г,- + с (90°• к: 270°■*),*<= ¿V;

[), + ^ (0°-А;180°-А) э^-) = 10, у, + 4 V/,. = {0° ■ к\\ 80° ■ к}

На следующем этапе работы разработана геометрическая модель сборной фасонной фрезы с режущими пластинами, расположенными на винтовой ли-

Технолоп«е^^система_2-го порядка

п

Рис. 6. Геометрическая модель сборной фасонной фрезы с СМП, расположенными на иррегулярной винтовой поверхности

нии. Общая структура геометрической модели представлена в виде графа Г2 = (X, Е) (рис. 6), где каждой из вершин соответствует локальная трехмерная система координат О) каждого элемента технологической системы или элемента конструкции инструмента. Геометрическая модель учитывает особенности проектирования конструкции фасонной фрезы как сборного инструмента, состоящего из множества взаимодействующих элементов, часть из которых расположена вдоль сложной пространственной кривой. Модель позволяет: по профилю обрабатываемой поверхности определить положение и ориентацию режущих пластин относительно последней; определить

положение и ориентацию режущих пластин в корпусе инструмента с учетом их винтового расположения; определить параметры установки корпуса инструмента на станке для обработки пазов под режущие пластины; определить траекторию движения инструмента второго порядка; а также выявить соотношения между допусками на изготовление пазов под пластины и допусками на положение режущих кромок, зависящими от параметров ориентации режущих пластин в корпусе.

При реализации геометрической модели были использованы матрицы четвертого порядка с использованием однородных координат: [м1^=[мЛ\мМмЛ\мЛт^ 1Щ, [Ц], [А/,] — матрицы поворотов координатной системы 0,-+1 относительно осей X, К, 2 системы координат О,; [А/„] — матрица смещения системы О,, | относительно О,.

В третьей главе производится расчет основных конструктивных и геометрических параметров сборных фасонных фрез рассматриваемой конструкции. Для определения положения режущих пластин в корпусе фрезы профиль ИИП необходимо разбить на элементарные участки. Элементарным называется участок образующей ИИП, имеющий неизменный характер, то есть постоянный радиус или угол наклона, на всем своем протяжении. Количество элементарных участков равно N. Каждый участок профиля характеризуется своими параметрами точности и шероховатости. Тогда совокупность параметров обрабатываемого профиля дета™ и, соответственно, образующей исходной инструментальной поверхности, рассматриваемая в системе координат детали, может быть представлена в матричном виде:

'*„1 У„ 1 *„1 У.1 ХС1 Ус1 1Т1 ^Г

х„2 у„2 хк2 ул,2 хС2 усг Я2 1Т2

ПОИ =

Л* У л хл Ул хск У а К* щ &

Здесь хш, ут и хК1, у„ — соответственно, координаты начала и конца элементарного участка, ха, уа — координаты центра дуги радиусного участка, й, — радиус участка, ГГ, — параметры точности, Иг, — параметры шероховатости элементарного участка. Знак «+» у радиуса участка соответствует выпуклому участку профиля детали (то есть вогнутому участку образующей исходной поверхности), «-» — вогнутому участку профиля детали (выпуклому — для исходной поверхности). Если значение Як равно 0, то данный участок является прямолинейным, и значения хек и уп опускаются.

Шероховатость поверхности, получаемой при обработке спроектированной сборной фрезой, следует рассматривать в направлении подачи фрезы и в осевой плоскости. Механизм образования погрешностей в виде остаточных неровностей (так называемых гребешков) различен в том и другом случае. В представленной работе высота неровностей в осевой плоскости рассматривается в качестве критерия выбора числа зубьев и габаритных и конструктивных размеров корпуса фрезы.

Варьируя число зубьев фрезы г, длину режущей кромки пластины 1рК или радиус пластины г и число пластин на отдельном зубе, можно рассчитать оптимальную высоту неровностей для каждого участка профиля детали. Решающим фактором при расчете общего числа зубьев фрезы по критерию наилучшей шероховатости является число зубьев 2, необходимое для обработки с требуемой высотой неровностей криволинейного участка с наименьшим радиусом кривизны. Тогда для вычисления требуемого числа зубьев фрезы можно записать: г = тах(2,), / е (1...ЛГ), N—число элементарных участков профиля.

Для определения положения режущей пластины в корпусе сборной фасонной фрезы рассматриваемой конструкции заданы базовые точки. Определение главной базовой точки А приведено выше. Базовой точкой О называется центр пластины, а базовой точкой В — точка, расположенная на окружности

радиусом г для круглых пластин и /р*/2 для квадратных в смежной с точкой А четверти (квадранте) (рис. 7).

Выбор положения базовых точек В, С и D (а для квадратных пластин еще и £) сделан исходя из удобства расчет траектории инструмента второго порядка, обрабатывающего базовые поверхности под пластины в корпусе сборной фасонной фрезы.

Положение каждой пластины в корпусе фрезы определяется координатами базовой точки А и углами поворота ip, у и Я («), на величины которых происходит ориентация заготовки обрабатываемого корпуса фрезы на станке таким образом, чтобы опорная плоскость паза была перпендикулярна оси инструмента второго порядка, движущегося по траектории, проходящей через базовые точки.

Для осуществления контроля формы и размеров посадочных мест под пластины, как при генерировании траектории инструмента, обрабатывающего заготовку корпуса сборной фасонной фрезы, так и при измерении корпуса на координатно-измерительной машине, введен второй набор базовых точек А В', С', D' и, для квадратных пластин, Е'.

Применение в конструкциях фасонных фрез круглых пластин ограничено рядом условий. В радиальной плоскости каждой точке режущей кромки будет соответствовать собственное значение заднего угла a à. При определенном

Рис. 7. Схема расположения базовых точек на режущей пластине

положении радиальной плоскости резания может возникнуть ситуация, когда задний угол будет иметь нулевое или отрицательное значение (рис. 8).

Ось фрезы

Исходное положение

Б - Б (после поборота!

Б' - Б1 (после поборота!

Рис. 8. Схема определения величины радиального заднего угла круглых пластин, обрабатывающих фасонный профиль заготовки и расположенных под углом т.

Условие положительной величины радиального заднего угла в произвольной точке А* записывается в виде: уиа > у'ис!; Радиальный задний угол рассчитывается по выражению:

, ( (у.„. — )' С08 Ю |

= агсщ\ V"« -I = агс%

Характер изменения углов арад в зависимости от смещения Дх радиальной секущей плоскости относительно исходного сечения при значениях по модулю углов показан на графиках (рис. 9).

<Р<0

■АЛ -0.31 <и -0,14 -0.1 -0,00 О 0,00 0.1 0.15 С! 0.И О.З шао,

-0,3 -ОМ '¡з -0.13 «1 ЛЯ6 О 0.»

Рис. 9 Характер изменения углов ар0!, в зависимости от смещения Ах радиальной секущей плоскости относительно исходного сечения

Условие, определяющее минимальное значение диаметра ИИП фрезы, выглядит следующим образом:

(0,4...0,6) ^ где — глубина обрабатываемого профиля. Это условие должно по возможности выполняться для всех типов конструкций фасонных фрез независимо от используемой схемы резания.

Общий алгоритм определения радиусов фасонной образующей ИИП в базовых точках ее образующей описывается следующим образом. Для каждого элементарного участка профиля определяется радиус равный радиусу фрезы в начальной (первой) точке участка: Кн к = /?тш + уш, где Ятш— минимальный радиус ИИП, ун, — ордината 1-й точки участка.

Затем для каждой базовой точки участка рассчитывается значение разности радиуса профиля г, относительно радиуса /{„.*• Окончательно определяется значение радиуса фасонной образующей ИИП в каждом из сечений путем сложения (рис. 10). При определении положения режущих пластин в корпусе сборной фасонной фрезы с СМП, расположенными на иррегулярной винтовой поверхности, производится переход от системы координат детали к системе

координат корпуса инструмента. Параметрами, определяющими положение

17

режущей пластаны в какой-либо системе координат, являются координаты базовых точек Лею (в этом обозначении г — номер базовой точки, СК — текущая система координат), и углы (р наклона Рис. 10 Схема определения радиусов образующей ИИП касательных в этих точках сбоРной Фас0!га0й ФРезы

к образующей фасонного профиля. Зная координаты базовых точек пластин в системе координат детали и задаваясь минимальным диаметром фрезы, можно определить координаты базовых точек пластин в системе координат инструмента по формуле {А^=[м\_и где {^"'Ь {Лв|} — координаты базовых точек Л, в системах координат инструмента и детали, соответственно. Тогда формула расчета координат базовых точек пластины в системе Хи Уи7и окончательно будет иметь вид: {Лш} = [Л/• [?]• {Ал}. Расчет параметров пластины, имеющей тангенциальную установку, осуществляется аналогично. Координаты

базовых точек паза в системе ко-станка:

О

Габариты фрезы ординат

{Р„}=[МІр_с-{Р„р,\

За счет поворота режущей

.Получаемый профиль пластины на Угол ® относитель-Х„„ но оси фрезы возможно получить

гиперболическую поверхность, которая может быть с опреде-Рис. 11. Принцип получения криволинейного про- ленной точностью аппроксимирована дугами окружностей (рис.

С2=(х2,у2)

филя изделия с помощью пластины, имеющей прямолинейные режущие кромки

11). В связи с этим представляет-

ся целесообразным создание конструкции сборной фасонной фрезы с углом наклона стружечных канавок, изменяемым путем регулировки вне станка (рис. 12). Это позволяет обрабатывать участки с разной кривизной профиля, а для черновых фрез — корректировать нагрузки на режущие кромки режущих пластин и, как следствие, их стойкость.

В четвертой главе рассматриваются вопросы обеспечения заданной точности конструкций сборных фасонных фрез с СМП, расположенными на иррегулярной винтовой поверхности. Согласно действующим стандартам, допустимая суммарная погрешность, вносимая в процесс обработки станком, приспособлением и заготовкой, составляют от 0,01 В до 0,03 В мкм. По отношению к погрешности, вносимой инструментом, это составляет 18—38%. В связи с этим в рамках представленной работы отдельные составляющие погрешностей, вносимых в процесс обработки станком, приспособлением и обрабатываемой заготовкой, не рассматриваются. Совокупность точностных параметров, влияющих на процесс обработки сборной фасонной фрезой с СМП, расположенными на ИВП, представлена в виде графа Г3= (X, Е) (рис. 13), где множество вершин X определяет составляющие суммарной погрешности обработки, а множество ребер Е является подмножеством вершин (/,. с*) и показывает, как связаны между собой вершины.

Расположение допусков на суммарную режущую кромку фрезы показано на рис. 14а. Схема формирования суммарной погрешности положения режущей кромки пластины приведена на рис. 146.

Рис. 12. Пример конструкции сборной фрезы, с возможностью изменения угла наклона режущей кромки ю

ис

Хн

сс

Хиі

эс

ип

_Хл

СП

_52

УП —

эп

0

из

_їа

УЗ

03

*43

ПС

пп

погрешность обработки детали фрезой

ПИ

ПЗ

■кі.

икэи УИ эи

хи Хзз

ЗагКрп Хзп

ОбрКрп

«яг

С'Кыпл

Х.113

Сб

Хзч

БэзИ

хкі

Крепи

_Хзр

УДефИ

Хаз?

Износ

«м?

Степень влияния точности изготовления паза и стандартных комплектующих на точность положения режущей кромки пластины в собранном инструменте зависит от параметров ориентации пластины в корпусе (углов (ох, соу и <яг), размеров

корпуса и параметров ориентации заготовки корпуса на станке (углов ю,и а>2).

Фактический радиус

Рис. 13 Граф погрешностей обработки заготовки

А-А . Ось фрезы ^ДДга,

Рис. 14 Схема расположения допусков на изготовление детали (а) и схема суммарной погрешности положения режущей кромки пластины (б)

фрезы в главной базовой точке А, равен Л,л = ^у2РЛ + ггрл = + Ау„)2 + Аг1. Установлено, что величина погрешности грл в направлении оси 02и не оказывает существенного влияния на точность обработки. Тогда можно записать:

Кц = + 4у,)> гДе 4У„ — суммарная погрешность, включающая в себя погрешности в направлении оси ОУи системы координат инструмента.

В пятой главе на основании проведенных исследований и полученных математических зависимостей разработаны рекомендации по проектированию и эксплуатации сборных фасонных фрез, оснащенных СМП, расположенными на иррегулярной винтовой поверхности.

В заключении подводятся итоги выполненной работы и формулируются основные выводы.

Основные выводы

1. В представленной диссертационной работе решена научно-техническая задача, имеющая важное значение для машиностроительного производства, заключающаяся в разработке и исследовании конструкций сборных фасонных фрез с режущими пластинами, расположенными на иррегулярной винтовой поверхности, на основе определения взаимосвязей конструкторских и технологических решений по выбору параметров ориентации режущих элементов в корпусе инструмента, обеспечивающих заданную точность их расположения на исходной инструментальной поверхности фрезы.

2. Разработана математическая модель дискретной режущей кромки сборной фасонной фрезы с СМП, расположенными на иррегулярной винтовой поверхности, которая позволяет определить положение режущих элементов в корпусе фрезы.

3. Разработана математическая модель формообразующей части фасонных фрез с режущими пластинами, расположенными на иррегулярной винтовой поверхности. Эта модель учитывает влияние расположения режущих пластин в корпусе инструмента на параметры точности и шероховатости обрабатываемой заготовки, что позволяет обеспечить изготовление рассматриваемой конструкции инструмента в соответствии с заданными техническими условиями. Минимальный диаметр фрезы ограничен 50 мм. С использованием разработанной модели установлено, что достижимая расчетная высота остаточных

21

неровностей на поверхности заготовки, измеренная в осевой плоскости, в зависимости от формы профиля составляет 0,01—0,03 мм.

4. Установлены аналитические зависимости по определению закономерностей изменения геометрических параметров вдоль режущих кромок пластин с учетом изменения угла наклона иррегулярной винтовой линии, определяющей расположение пластин, и конфигурации фасонного профиля исходной инструментальной поверхности проектируемого инструмента, что позволяет определить конструктивные параметры и область применения сборных фасонных фрез рассматриваемой конструкцию. Путем расчетов с использованием полученных зависимостей установлено, что угол наклона режущей кромки пластины Хт для конструкций фрез с круглыми пластинами не должен превышать 30°, обрабатываемый профиль по возможности не должен иметь участков с углом наклона касательной к горизонтальной оси <р более 40...45°, перекрытие пластин, расположенных на смежных зубьях, должно быть максимальным. Если эти условия невозможно выполнить, следует применять режущие пластины с максимальным задним углом, а в конструкции фрезы должен быть предусмотрен отрицательный передний угол для компенсации малой величины радиального заднего угла а'рад.

5. Разработана математическая модель определения параметров установки на станке заготовки корпуса фрезы, позволяющая создать с помощью современных САМ-систем управляющую программу обработки посадочных мест под режущие пластины.

6. Предложена конструкция фрезы, реализующая принцип обработки криволинейного (радиусного или гиперболического) профиля заготовки с помощью фрезы с режущими пластинами, имеющими прямолинейные режущие кромки. При этом рекомендуемое максимальное отношение длины режущей кромки к диаметру фрезы составляет 1:2.

7. Разработаны алгоритмы и программные средства реализации расчетов и геометрического моделирования фасонных фрез с режущими кромками

22

СМП, расположенными на иррегулярной винтовой поверхности. Созданные алгоритмы и программные средства могут использоваться с несколькими распространенными САПР, такими как CATIA, T-Flex и AutoCAD.

8. Результаты работы, представленные в виде методологического и программного обеспечения, а также практических рекомендаций по проектированию и эксплуатации сборных фасонных фрез с режущими пластинами, расположенными на винтовой линии, используются на ОАО МИЗ, а также в учебном процессе кафедры «Инструментальная техника и технология формообразования» ФГБОУ ВПО МГТУ «Станкин» при проведении лекций и лабораторных работ по курсу «Режущий инструмент» и «Технология инструментального производства».

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях.

1. Исаев А. В. Проектирование сборных фрез для обработки фасонных поверхностей / Гречишников В. А., Маркош Ш. / М.: СТИН №2, 2007.

2. Исаев А. В Применение режущих пластин с прямолинейной кромкой для обработки криволинейных участков профиля / Гречишников В. А. / М.: СТИН №1,2010.

3. Исаев А. В. Проектирование сборных фасонных фрез с круглыми сменными твердосплавными пластинами, расположенными на винтовой поверхности // Вестник МГТУ «Станкин». Научный рецензируемый журнал. М.: МГТУ «Станкин», №1 (13), 2011. — с. 61—66.

4. Исаев А. В. Определение конструктивных параметров сборных фасонных фрез с круглыми режущими пластинами, расположенными на винтовой линии II Вестник МГТУ «Станкин». Научный рецензируемый журнал. М.: МГТУ «Станкин», №4, том 1 (16), 2011. — с. 52—57.

5. Исаев А. В. Информационно-измерительная система для контроля вибраций при металлообработке / Козочкин М. П., Порватов А. Н. // "Метрология" № 8 — 2011 г., стр. 18—25.

6. Исаев А. В. Проектирование сборных фасонных фрез со сменными многогранными пластинами, расположенными на винтовой поверхности. Машиностроение — традиции и инновации (МТЙ-2010). Материалы П1 научно-образовательной конференции. Секция «Машиностроительные технологии». Сборник докладов, с. 96—107.

7. Исаев А. В. Определение геометрических и конструктивных параметров сборных фасонных фрез с радиальным расположением круглых режущих пластин вдоль винтовой линии. Материалы всероссийской молодежной конференции «Инновационные технологии в машиностроении» (ИТМ-2011). Секция «Технологическое оборудование машиностроительных производств». Сборник докладов, с. 86—92.

8. Исаев А. В. Применение методов диагностики при отладке новых технологических процессов / Козочкин М. П., Сабиров Ф. С., Порватов А. Н. / Станочный парк. Ежемесячный специализированный журнал №12 (89) 2011, с. 19—25.

9. Исаев А. В., Вибродиагностика при металлообработке с помощью информационно-измерительных систем / Козочкин М. П., Порватов А. Н. / Станочный парк. Ежемесячный специализированный журнал №3 (92) 2012, с. 16—19.

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Исаев Александр Вячеславович

Разработка сборных фрез со сменными многогранными твердосплавными пластинами, расположенными на винтовой поверхности, для обработки заготовок с фасонным профилем

Подписано в печать 24.02.2012. Формат 60х 90 1/16. Бумага 80 г. Усл. печ. л. 1,5. Тираж 120 экз. Заказ 37.

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

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Московский государственный технологический университет

Разработка сборных фрез со сменными многогранными твердосплавными пластинами, расположенными

на винтовой поверхности, для обработки заготовок с фасонным профилем

Специальность 05.02.07 — «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки»

Диссертация на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор

В. А. Гречишников

Москва, 2012 г.

«СТАНКИН»

61 12-5/2085

На прщрих рукописи

Исаев Александр Вячеславович

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ..................................................................................................................5

ГЛАВА 1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА. ПОСТАНОВКА ПРОБЛЕМЫ И

ЗАДАЧИ ИССЛЕДОВАНИЙ...................................................................................11

1Л Обзор существующих конструкций и методов проектирования сборных

фасонных фрез с СМП, расположенными на винтовой линии...........................11

1.2 Обзор существующих конструкций сборных фасонных фрез...................20

Выводы по главе и постановка задач исследования..............................................29

ГЛАВА 2. РАЗРАБОТКА МАТЕМАТИЧЕСКОЙ МОДЕЛИ РЕЖУЩЕЙ ЧАСТИ СБОРНЫХ ФАСОННЫХ ФРЕЗ С СМП, РАСПОЛОЖЕННЫМИ НА ИРРЕГУЛЯРНОЙ ВИНТОВОЙ ПОВЕРХНОСТИ.........................................31

2.1 Схемы расположения СМП в корпусе сборных фасонных фрез...............31

2.2 Основные этапы проектирования сборных фасонных фрез с СМП, расположенными на иррегулярной винтовой поверхности.................................36

2.3 Система исходных данных для проектирования сборных фасонных

фрез с СМП, расположенными на иррегулярной винтовой поверхности........38

2.4 Анализ схем резания, используемых при обработке сборными фасонными фрезами..................................................................................................39

2.5 Принятые ограничения на параметры сборных фасонных фрез рассматриваемой конструкции................................................................................47

2.6 Формирование и анализ графа конструкции сборных фасонных фрез

с СМП, расположенными на иррегулярной винтовой поверхности....................52

2.7 Моделирование дискретной режущей кромки сборной фасонной

фрезы с СМП, расположенными на иррегулярной винтовой поверхности........58

2.8 Геометрическая модель сборных фасонных фрез.......................................68

Выводы по главе........................................................................................................73

ГЛАВА 3. РАСЧЕТ ОСНОВНЫХ КОНСТРУКТИВНЫХ И ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ СБОРНЫХ ФАСОННЫХ ФРЕЗ С СМП, РАСПОЛОЖЕННЫМИ НА ИРРЕГУЛЯРНОЙ ВИНТОВОЙ ПОВЕРХНОСТИ........................................................................................................75

3.1 Разбиение профиля фасонной образующей ИИП

на элементарные участки..........................................................................................75

3.2 Определение числа зубьев фрезы по критерию минимальной высоты остаточных неровностей на обработанной поверхности заготовки.....................79

3.3 Определение координат базовых точек режущих пластин в системе координат обрабатываемой детали..........................................................................90

3.4 Исследование изменения величин радиальных задних углов и величин относительного перекрытия пластин круглой формы в конструкциях сборных фасонных фрез..........................................................................................ЮЗ

3.5 Определение габаритных размеров корпуса фрезы и радиусов фасонной образующей ИИП фрезы в базовых точках профиля..........................................112

3.6 Определение положения режущих пластин в корпусе сборной фасонной фрезы с СМП, расположенными на иррегулярной винтовой поверхности.....117

3.7 Исследование изменения значений геометрических параметров режущей части сборных фасонных фрез с учетом формы пластины и ее положения

122

в корпусе...................................................................................................................

3.8 Блок-схема алгоритма построения модели сборной фасонной фрезы с СМП, расположенными на иррегулярной винтовой поверхности, и определение параметров установки заготовки корпуса фрезы на станке для обработки посадочных мест под режущие пластины.............................................................124

3.9 Сборные фрезы, оснащенные твердосплавными пластинами с прямолинейными режущими кромками, для обработки участков детали

криволинейной формы............................................................................................135

Выводы по главе......................................................................................................^^

ГЛАВА 4. ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЗАДАННОЙ ТОЧНОСТИ СБОРНЫХ ФАСОННЫХ ФРЕЗ С СМП, РАСПОЛОЖЕННЫМИ НА ИРРЕГУЛЯРНОЙ ВИНТОВОЙ ПОВЕРХНОСТИ, НА ЭТАПАХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ КОНСТРУКЦИИ И ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ПРОЦЕССА ИЗГОТОВЛЕНИЯ...................................................................................................145

4.1 Построение и анализ графа точностных параметров сборной фасонной фрезы с СМП, расположенными на иррегулярной винтовой поверхности.....145

4.2 Определение величины допусков на конструктивные элементы и их взаимосвязь с величинами допусков на размеры, определяющие положение режущей кромки сборной фасонной фрезы на исходной

инструментальной поверхности............................................................................151

Выводы по главе......................................................................................................165

ГЛАВА 5. РАЗРАБОТКА РЕКОМЕНДАЦИЙ ПО ПРОЕКТИРОВАНИЮ И ЭКСПЛУАТАЦИИ СБОРНЫХ ФАСОННЫХ ФРЕЗ, ОСНАЩЕННЫХ СМП, РАСПОЛОЖЕННЫМИ НА ИРРЕГУЛЯРНОЙ

ВИНТОВОЙ ПОВЕРХНОСТИ..............................................................................166

5.1 Порядок моделирования в среде CAD-системы корпуса сборной фасонной фрезы.......................................................................................................166

5.2 Выбор стратегии обработки пазов под режущие пластины в корпусе сборной фасонной фрезы........................................................................................171

5.3 Особенности эксплуатации сборных фасонных фрез с СМП..................175

Выводы по главе......................................................................................................179

ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ.........................................180

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ.......................................................................................183

ПРИЛОЖЕНИЯ.......................................................................................................I93

Введение

Современные тенденции развития промышленности характеризуются значительными масштабами разработки, создания, освоения и внедрения новых высокоэффективных технологий, ориентированных на существенное увеличение производительности труда, улучшение качества выпускаемой продукции и повышение ее конкурентоспособности на рынке. Это вызывает необходимость постоянного совершенствования методов обработки, контроля качества и проектирования конструкций оборудования и обрабатывающего инструмента.

Решение этих задач особенно важно в металлообрабатывающей индустрии, где уровень технологической оснащенности производства является решающим фактором в создании конкурентоспособной продукции. Эффективность методов проектирования, производства и эксплуатации режущего инструмента во многом определяет качество и эффективность всего производственного процесса.

Существующие технологии ориентированы на использование систем автоматизированного проектирования и производства, позволяющих максимально полно использовать ресурсы вычислительной техники и решать в комплексе многие вопросы, возникающие на различных стадиях проектирования и изготовления режущих инструментов.

Обработка деталей, имеющих поверхности сложной формы, актуальна для многих предприятий машиностроительной отрасли. В настоящее время существует ряд подходов к решению производственных задач, связанных с обработкой деталей со сложными фасонными поверхностями.

Одним из наиболее распространенных видов металлорежущего инструмента, применяемого при фасонной обработке, являются фрезы. В современной промышленности имеется определенный круг производственных задач, требующих применения фасонных фрез с твердосплавными неперетачиваемыми сменными многогранными пластинами (СМП). К таким задачам относится, в частности, обработка направляющих сложной формы, колесных пар локомоти-

bob, крупногабаритных деталей, используемых в строительстве, автомобильной и авиационной промышленности, и т. п.

Известно, что применение для фасонной обработки сборных конструкций фрез с СМИ, механически закрепленными в корпусе инструмента, позволяет, по сравнению с цельными или составными конструкциями, существенно повысить стойкость фрезы, увеличить экономию твердого сплава, обеспечить необходимую форму передней поверхности за счет конфигурации режущего элемента, что может быть весьма выгодно с экономической точки зрения. Расположение режущих пластин под углом к оси фрезы обеспечивает ряд преимуществ по сравнению с ориентацией их параллельно оси. К ним относятся: улучшение равномерности фрезерования, уменьшение вибраций, возникающих в процессе резания, увеличение прочности режущей кромки, снижение усилий, действующих в процессе фрезерования, повышение стойкости фрез, создание дополнительных условий для стружкодробления. Расположение режущих элементов на соседних зубьях со смещением друг относительно друга, строго говоря, не является винтовым. Однако совокупность режущих кромок сменных твердосплавных пластин образует общую дискретную режущую кромку, которая может быть описана как винтовая линия переменного (иррегулярного) характера.

Проектирование режущих инструментов для обработки поверхностей сложного профиля является одним из наиболее важных вопросов инструментального производства. С повсеместным распространением и внедрением систем автоматизированного проектирования и производства (CAD/CAM) процесс создания фасонного режущего инструмента стал более эффективным как с технологической, так и с экономической точки зрения.

Сложная форма образующей исходной инструментальной поверхности сборных фасонных фрез определяет переменный (иррегулярный) характер винтовой поверхности, которая формируется режущими кромками пластин, расположенных на одном зубе. Анализ научных работ, патентных документов и тех-

нических рекомендаций ведущих фирм-производителей режущего инструмента показал, что вопросы проектирования и изготовления сборных фасонных фрез с режущими элементами, расположенными на винтовой поверхности (в том числе, иррегулярной), в настоящее время проработаны недостаточно.

Целью данной работы является разработка и исследование конструкций сборных фасонных фрез, оснащенных сменными многогранными пластинами (СМП), режущие кромки которых расположены по иррегулярной винтовой линии, лежащей на исходной инструментальной поверхности с криволинейной образующей, на основе определения взаимосвязей конструкторских и технологических решений и методов математического моделирования.

Методы исследований. Работа выполнена на базе фундаментальных положений теории проектирования режущих инструментов с использованием аппарата аналитической и дифференциальной геометрии, векторно-матричного анализа, интерактивного поиска технических решений, методов математического и компьютерного программирования и средств компьютерной графики. Изготовление модели корпуса фрезы рассматриваемой конструкции методами быстрого прототипирования.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

— разработать математическую модель дискретной режущей кромки, имеющей вид иррегулярной винтовой линии, расположенной на фасонной исходной инструментальной поверхности фрезы;

— определить систему исходных данных, необходимых для проектирования конструктивных элементов сборной фасонной фрезы с СМП, расположенных на иррегулярной винтовой поверхности;

— разработать методику и алгоритмы, а также программные средства для проектирования сборных фасонных фрез с режущими кромками пластин, расположенных на иррегулярной винтовой поверхности и лежащих на фасонной образующей исходной инструментальной поверхности;

_ разработать методику получения криволинейного профиля исходной инструментальной поверхности за счет ориентации в пространстве режущей пластины с прямолинейной режущей кромкой;

— создать трехмерную геометрическую модель спроектированной фрезы, а на ее базе — управляющую программу для станка, на котором ведется обработка корпуса разработанной фрезы.

Научная новизна работы заключается в:

— математической модели дискретной режущей кромки сборной фасонной фрезы с СМП, расположенными на иррегулярной винтовой поверхности;

— математической модели формообразующей части фасонных фрез с режущими пластинами, расположенными на иррегулярной винтовой поверхности, учитывающей влияние расположения пластин в корпусе инструмента на параметры точности и шероховатости обрабатываемой заготовки и особенности технологического процесса изготовления корпуса фрезы;

— закономерностях изменения геометрических параметров вдоль режущих кромок пластин сборной фасонной фрезы с учетом изменения угла наклона винтовой стружечной канавки на фасонной исходной инструментальной поверхности;

_ математической модели и определении параметров установки на станке

заготовки корпуса спроектированной фрезы для обработки посадочных мест под режущие пластины;

_ алгоритме формообразования криволинейных участков фасонного профиля детали при обработке фрезами с СМП, имеющими режущую кромку в форме отрезка прямой, установленными определенным образом в корпусе инструмента.

Практическая ценность заключается в: _ рекомендациях по проектированию сборных фасонных фрез с СМП, расположенными на иррегулярной винтовой поверхности;

— алгоритме проектирования конструкции сборных фасонных фрез с СМП, расположенными на иррегулярной винтовой поверхности;

— программных средствах, обеспечивающих создание трехмерной модели фасонной фрезы с использованием методов компьютерного геометрического моделирования в различных системах САПР, на основе разработанных алгоритмов;

— геометрической трехмерной модели, используемой для генерации управляющей программы многокоординатного обрабатывающего центра с ЧПУ, обрабатывающего корпус спроектированного инструмента.

Реализация работы заключается в применении ее практических результатов на ОАО «МИЗ» (Московский инструментальный завод), о чем свидетельствует акт использования научно-технической разработки. Кроме того, результаты работы используются в учебном процессе кафедры «Инструментальная техника и теория формообразования» ФГБОУ ВПО МГТУ «Станкин» при проведении лабораторных работ, семинарских и практических занятий, чтении лекций, при выполнении курсовых проектов, а также при подготовке бакалавров по направлению 150900.62 «Технология, оборудование и автоматизация машиностроительных производств» и дипломированных специалистов по направлению 151003.65 «Инструментальные системы машиностроительных производств».

Апробация работы. Основные положения и наиболее существенные разделы работы доложены на научно-образовательной конференции «Машиностроение — традиции и инновации» (МТИ-2010), всероссийской молодежной конференции «Инновационные технологии в машиностроении» (ИТМ-2011), на совместном техническом совете ОАО «МИЗ» и кафедры ИТ и ТФ, заседаниях кафедры ИТ и ТФ МГТУ «Станкин».

Публикации. По теме диссертации опубликовано 9 работ, в том числе 5

— в изданиях, включенных в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников и приложений: скрин-шотов разработанного интерфейса САПР сборных фасонных фрез; фрагмента программного кода САПР и управляющих программ для станка к ЧПУ, сгенерированных средствами САМ-системы ГеММа-ЗБ; акта внедрения разработанной конструкции фрезы.

Диссертация изложена на 200 страницах, включает в себя 6 таблиц, 58 рисунков и список использованных источников из 102 наименований.

Глава 1. Состояние вопроса. Постановка проблемы и задачи исследований

1.1 Обзор существующих конструкций и методов проектирования

сборных фасонных фрез с СМП, расположенными на винтовой

линии

Появление сборных конструкций фасонных фрез с СМП произошло относительно поздно, около середины 1950-х годов. Оно было связано с достижением определенного технологического уровня производимого оборудования и инструмента, новых инструментальных и обрабатываемых материалов, новых технологий и методов обработки, повышением требований к производительности обработки и качеству изготавливаемых изделий, развитием информационных технологий и созданием новых эффективных методик проектирования и изготовления элементов технологической системы. До этого времени применялись цельные и сборные (с ножами из быстрорежущей стали) конструкции фасонного фрезерного инструмента, однако вопросы повышения эффективности проектирования, изготовления и эксплуатации новых конструкций фрез с СМП становились всё более актуальными. Одним из первых значимых тру