Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям
На правах рукописи
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
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Москва 2012
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 консультант: Доктор технических наук, профессор Петухов Юрий Евгеньевич
Официальные оппоненты: Доктор технических наук, профессор Клепиков Виктор Валерьевич ФГБОУ ВПО МГИУ Кандидат технических наук, доцент Локтев Дмитрий Абрамович ООО "ИТЦ ТЕХНОПОЛИС"
Ведущая организация: ОАО "ВНИИИНСТРУМЕНТ
Защита диссертации состоится л22 мая 2012г. в ___ часов _ мин. на заседании диссертационного совета Д.212.142.01 в ФГБОУ ВПО МГТУ СТАНКИН по адресу: 127994, ГСП-4, Москва, Вадковский пер., д. 3а.
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 л ________ 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 новизна 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;
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 СТАНКИН, 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 научнопрактической конференции Модернизация машиностроительного комплекса России на научных основах технологии машиностроения (ТМ-2011) (Брянск, 19-мая 2011г.), на XXII Международной инновационно-ориентированной конференции молодых учёных и студентов Будущее машиностроения России (МИКМУС2010)(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 1иностранном 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 А.В., Юликов М.И., Агарков А.А.
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 формализаций - 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 7 8 11 1 3 4 5 6 9 12 Условия эксплуатации Гл убина резания П одача С корость резания Обрабатываемый материал СО Ж 6 Параметры установки инструмента 1 2 3 4 5 6 7 10 14 8 9 12Качество Силовые Технологичность Работоспособность характеристики обработки инструмента Эксплуатационные показатели Рис.1 Схема основных факторов и показателей процесса формообразования винтовых поверхностей фрезерованием концевыми фрезами (упрощенно) фрезы части фрезы канавки Жесткость переточек Количество Задний угол канавки фрезы h Длинна режущей части фрезы l Глубина стружечной Передний угол крепления фрезы режущей кромки Угол впадины Количество зубьев Диаметр фрезы D Радиус округления Материал режущей Форма стружечной Форма хвостовика Точность изготовления кромки износ н а г р у з к и Точность профиля Стойкость Равномерность поверхности и н с т р у м е н т а Твердость Стоимость с т а н д а р т н о г о инструмента Прочность Надежность С и л ы р е з а н и я И с п о л ь з о в а н и е загрузк и режущей Д и н а м и ч е с к и е Равномерный Шероховатость изготовления ПроизводительТрудоемкость ность обработки Виброустойчивость Стружколомание Теплостойкость 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 0 1 0 0 1 0 0 0 0 0 0 1 1 1 полная формализация связи 0 2 1 0 0 1 0 1 0 0 0 0 0 0 1 между факторами и показателями 0 1 3 1 0 0 0 1 0 0 0 0 0 1 0 4 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 0 эмпирическая связь между 0 5 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0 1 факторами и показателями 0 1 1 6 0 0 1 1 1 0 1 0 1 7 0 0 0 1 0 0 1 1 1 0 0 1 0 0 формализация связи между 1 1 1 8 1 0 0 0 0 0 1 1 0 1 1 факторами и показателями 9 0 0 0 1 0 0 1 0 0 1 0 0 1 отсутствует 10 1 0 0 0 1 1 1 1 0 0 0 1 1 1 11 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 1 1 Рис.2 Единичная матрица функ12 1 0 0 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 циональных связей между фак1 13 0 0 0 1 1 1 0 0 0 1 1 торами и показателями процес14 1 1 1 0 0 1 1 1 0 0 0 0 0 1 1 1 15 0 1 1 1 1 1 1 1 са формообразования фасонных 0 0 0 0 1 0 16 1 0 1 0 1 1 1 1 0 1 0 0 0 0 0 винтовых поверхностей конце17 0 1 0 1 1 1 1 0 1 1 0 0 0 выми фрезами прямого профи18 1 1 1 1 1 1 1 1 1 0 1 0 1 1 1 1 ля.
0 0 0 0 19 0 1 0 1 0 1 0 0 0 0 20 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 Вторая глава диссертации была посвящена решению обратной задачи профилирования, а также созданию математической модели обработки фасонной винтовой канавки инструментов фрезами прямого профиля.
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 (КB), 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 конУстановка фрезы на станке цевой фрезы и его основные параметры заключается (рис.4) в перемещении фрезы вдоль своей оси O1Y на расстояние a, и в вертикальной плоскости перпендикулярно собственной оси по ox на расстояние в, затем - повороте вокруг горизонтальном оси O1X на угол и в заключение - повороте заготовки вокруг вертикальной оси ОУ на угол .
Станочные параметры установки a, в, , и диаметр D 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. Однако в расчетных схемах определения профиля винтовой поверхности используются только три расчетных параметра:
угол скрещивания - , межосевое расстояние- m, а также величина, характеризующая положение точки скрещивания; эту величину определяет расстояние l от точки скрещивания до (от точки пересечения межосевого перпендикуляра осью фрезы) ее торца.
Были вывялены зависимости между Рис.4 Схема расположения фрезы при расчетными параметрами установки , m, обработке винтовой поверхности l и станочными параметрами a, в, , .
в m cos( ) (atg() вtg( ))sin( ) 1 sin ( )tg2() 1 в l (atg( ) вtg( ))sin( ) tg( )sin( ) a sin() ctg2() sin2( ) cos( ) cos( ) sin( ) cos( ) 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.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 xi участке, является точка на профиле инструмента, которая при вращении ее вокруг оси инструмента будет иметь в подвижной системе координат XYZ, связанной с торцевым сечением, минимальную ординату yi.
На рис. 6 представлена блок-схема алгоритма численного метода, а также ниже представлены необходимые исходные данные для формирования численной модели и сама численная модель.
Последова- Исходное данные для построения численной мо тельность дели (параметры преобразований систем коорди преобразова- нат) ния N Углы Перемещения Ось Z2 ( угол положения - точки скрещивания ) Ось Y2 - ( угол скрещивания ) m (межосевое расстояние) Ось z1 v p*v (p- винтовой параметр ) Результирующая матрица t p , 2 xi 0 где t-шаг винтовой yi Yi канавки MR M 3 M 2 M1 0 Zi , где Yi=-Ri 1 Матрицы последовательного преобразования систем координат cos( ) 0 sin( ) cos() sin( ) 0 0 1 0 m sin( ) cos( ) 0 0 M 2 M1 sin( ) 0 cos( ) 0 0 0 1 0 0 0 0 1 0 0 0 cos( ) sin( ) 0 sin( ) cos( ) 0 0 Zi cos( ) Ri sin()sin( ) M 3 ;
0 0 1 p p 0 0 0 4 5 да Численная i=i=модель II z=zj нет да i=Zj=Zj-i>n нет 10 Zi-2=Zi xi-1=x0j+Rcos(i-1) Zi+Zi+Zi-1 = Zi=Zi-yi-1=y0j+R-(R ( i-1)) sin да Zj=Zj-Численная |yi-yi-2|< модель II нет Конец Рис. 6 Блок-схема алгоритма численного метода определения профиля винтовой поверхности в заданных сечениях По алгоритму, приведенному на рис. 6, была разработана программа, результаты которой представляют собой решения обратной задачи профилирования винтовой канавки концевой фрезы (рис. 7) D=24мм c диаметром сердцевины d=14мм. Рассмотрены четыре варианта профиля с числом зубьев z= 2, z=3, z=4, z=6, и различными геометрическими параметрами R,, , .
Рис. 7 Компьютерное моделирование обработки винтовой канавки концевой фрезы с числом зубьев Z=2 (а); Z=4 (б); Z=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 Последователь- Исходное данные для построения ность численной модели (Параметры преt p преобразования образований систем координат), где t-шаг винтовой канав2 N Углы (поворот Перемещения вокруг оси) (вдоль оси) ки.
Ось Z ( угол положе- - Результирующая матрица ния точки скрещивания ) xi 0 Ось Y - ( угол скрещи- m (межосевое yi Yi вания ) расстояние) MR M4M3M2M1 Ось z v P*v (p- винтовой Z ui параметр ) 1 Ось y ( угол скрещи- - m (межосевое вания ) расстояние) где Yi=-Rj Матрицы последовательного преобразования систем координат cos( ) sin() 0 0 cos( ) 0 sin( ) 0 1 0 m sin( ) cos() 0 0 M 2 M1 0 0 1 0 sin( ) 0 cos( ) 0 0 0 0 1 0 0 0 cos( ) sin( ) 0 cos( ) 0 sin( ) sin( ) cos( ) 0 0 0 1 0 m M1 M 4 0 0 1 p sin( ) 0 cos( ) 0 0 0 1 0 0 0 sz Z (i i ).
2p 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.
Рис.11 Схема резания при фрезеровании винтовой канавки концевой фрезы концевой фрезой прямого профиля 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 ki (рис. 13) вычисляется по формуле приведенной ниже, где i - толщина срезаемого слоя в i-ой точке режущей кромки, Z - число зубьев фрезы, D - диаметр фрезы.
D i iZ tgki ,, Z D Рис 13 Схема расчета кинематического заднего угла.
Для благоприятного протекания процесса обработки необходимо обеспеi ki чить условие, чтобы. 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 - SZ и согласованно поворачиваSz t = p ется вокруг оси на угол, где р - винтовой параметр,, t - шаг винp 2 товой 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 D=25мм, числом зубьев Z=4, с шагом винтовой канавки t=136мм. В первом случае (рис. 14) в качестве инструмента была использована концевая фреза Df=20мм, с числом зубьев z=4, подача на зуб Sz=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 Df=50мм, с числом зубьев z=8, подача на зуб Sz=0.25мм, обработка проводилась на базе схемы с торцевой инструментальной поверхностью (рис.
12).
Данные снимались с шагом 2мм (c шагом угла поворота оси инструмента v=5.3). Слои срезов на графиках пронумерованы в соответствии с порядком их появления в процессе формообразования.
Изменение кинематических задних углов вдоль режущей Изменение кинематических задних углов вдоль режущей кромки зуба на кромки торцевого зуба фрезы на различных стадия цилиндрической части фрезы на различных стадия формообразования формообразования 1,4,0,0,3,Слой0,0,2,СлойСлой5Слой2Слой0,СлойСлой0,1,5 СлойСлойСлой0,Слой0,5 Слой0,0,0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 0,Расстояние от вершины зуба,мм Р1 от вершины зуба L,мм асстояние 2 3 4 Рис. 14 Изменение кинематических задних углов при формообразовании винтовой стружечной канавки концевой фрезы концевой фрезой.
График изменение кинематических углов в точке вдоль режущей кромки зуба на торце Изменение кинематических задних углов на торцевой фрезы в различных стадиях формообразования режущей кромки зуба цилиндрической части торцевой фрезы на разных стадиях формообразования Слой3,5 СлойСлойСлойСлойСлой12 Слой13 Слой2,СлойСлойСлойСлой14 СлойСлойСлой1,СлойСлойСлойСлой0,0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 4,5 5 5,5 6 6,5 7 7,5 8 8,5 9 9,5 10 10,0 0,5 1 1,5 2 2,5 Расстояние отвершины 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 0.2 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 градусы угол ak, градусы Кнематический задний Кнематический задний угол, градусы заднего угла, градусы Величина кинематического Величина кинематического заднего угла, 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 фрезы при различных схемах обработки (рис.16).
FF1 F1 F100% 92% 100% 94% 90% 90% 80% 80% 70% 70% 60% 60% 50% 50% F1 F40% 40% 30% 30% 20% F2 8% 20% 10% 6% F10% 0% 1 0% Fплощадь обработки торцевыми зубьями F1 площадь обработки торцевыми зубьями F1 площадь обработки цилиндрическими F2 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 (a, в, , и диаметр D) (рис. 4) на получаемый профиль (-центральный угол профиля канавки, -передний угол, alfa-задний угол, h-глубина канавки). Результатом исследования стали математические зависимости между расчетными параметрами установки инструмента и размерами получаемого профиля фасонной винтовой поверхности.
Рис. 17 3D 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 Mathcad 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 Df1 и передним углом . В примере представлены ряд заданных диаметров инструмента, полученные в результате расчета модели, ряд передних углов, а также команды Mathcad для определения коэффициентов экспоненциальной зависимости F1(t) ( (Df1)) 40 50 48.50211. Df1 19 c1 0.013655 c1 expfit ( Df1 g ) g :
1 60 1 26.83.7922 , 33.65 где с1- переменная, отвечающая за нахождение искомых коэффициентов c11t F1(t) c10e cэкспоненциальной зависимости.
Полученная эмпирическая зависимость:
(D) 48.502e0.014D 83.792.
Затем проводится оценка полученной эмпирической зависимости по близости результатов расчета 1 с фактическими .
0 0.1 11.5 12.0 19 1 18.8 , 26.5 26.0 33.5 33.7 Cравнением двух рядов получаем коэффициент корреляции corr ( 1 ) 0.9995В таблицы 3 приведены полученные эмпирические зависимости между станочными параметрами установки инструмента (a, в, , и диаметр D) (рис.
4) и параметрами профиля (z-число зубьев, -передний угол, alfa-задний угол, h-глубина канавки), а так же коэффициент корреляции.
Эмпирические зависимости между расчетными параметрами установки на станке и размера профиля канавки концевой фрезы Таблица Эмпирические зависимости коэффициент корреляции corr=0.9 (b) 8.669 105 e4.04110 b 8.67 107, corr=0.9 (a) 2.271108 a7.317 14.543, corr=0.9 () 1.265106 e2.11710 alfa 1.265106, corr=0.9 ( ) 7.694 e0.047beta 11.873, corr= (D) 48.502e0.014D 83.792, corr= (b) 1.853 e0.042b 0.032, corr= (a) 0.16 e0.161a 2.093, corr=0.9 () 1.867 105 e4.59410 1.866 105, corr=0.9 ( ) 0.064 e0.072 4.059, corr= (D) 391.533 D0.9 0.04, corr=0.9h(b) 3.659e0.032b 16.368, corr=h(a) 663.279e1.46510 a 688.072, corr=0.9h() 5.234 105 e6.33910 alfa 5.234 105, corr=0.9h( ) 2.03105 e3.2110 beta 2.03105, corr=0.9h(D) 0.247 D5 0.2corr=0.9alfa(a) 3.385104 a1.93710 3.381104, corr=0.9alfa() 0.123 e0.253alfa 18.282, 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 универсальнофрезерном 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 Tflex. 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.
Рис. 19 Контроль размеров Рис. 18Установка инструмента полученной винтовой канавки относительно заготовки.
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 (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.
Для оценки соответствия полученного профиля было построено поле допуска на профиль винтовой канавки инструмента (рис. 20) с учётом допусков на размеры профиля в соответствии с ГОСТ 17026-71 (Фрезы концевые. Конструкция и размеры) и ГОСТ 17024-(Фрезы концевые. Технические условия.) В таблице 4 приведены расчетные размеры профиля и допуски, соответствующие фрезе нормальной точности, Рис. 20 Схема построения поля допуска на а также размеры, полученпрофиль винтовой стружечной канавки конценые в результате обработки.
вой фрезы Контроль размеров полученного профиля канавки концевой фрезы Таблица Параметры профиля винтовой ка- Допуск Расчетные разме- Размеры полученного навки концевой фрезы профиля ры и допуски Внешний диаметр D По js12 25 (+/-0.105) мм 25.Глубина канавки h IT12/2 4 (+/-0.150) мм 4.Радиус спинки зуба r IT12/2 18 (+/-0.180) мм 17.Радиус дна канавки IT12/2 2 (+/-0.1) 1.Передний угол 1 141 14 1 101 Формируется на послеЗадний угол дующих операциях Ширина ленточки f IT12/2 1.5 (+/-0.1) мм Формируется на последующих операциях Окружной шаг 3 853 2 302 29 Угол спинки зуба 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).
10% от объёма всей стружки 90% 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 (a, в, , и диаметр D) с заданной степенью точности.
4. Разработанная математическая модель определения толщины слоев срезаемых зубьями фрезы в процессе формообразования в зависимости от числа зубьев z, диаметра фрезы D и подачи на зуб Sz, позволила сформировать схему резания. Проведенные исследования схемы резания показали, что при различных сочетаниях станочных параметров установки a, в, , и диаметра D 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 D=25 с числом зубьев z=4 показали, что при использовании в качестве инструмента концевой фрезы диаметром d=мм и с числом зубьев Z=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 D=25 с числом зубьев z=4 показали, что при использовании в качестве инструмента торцевой фрезы диаметром D=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-Flex. 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 20мм винтовой стружечной канавки заготовки фрезы с числом зубьев Z=4, =14, 1=30, r=18мм, =2мм, h=4мм, получен профиль со следующими отклонениями: =0, =-1, r=-0.05мм, =-0.08мм, h=0.14мм, =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. Домнин 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 УСтанкинФ № 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 Ц14 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 А.А., Атрощенкова Т.С. // докл. Третья Всероссийская конференция молодых ученых и специалистов с международным участием " Будущее машиностроения России", Москва 22-25 сентября 2010г. - С. 19-8. 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. 19. Домнин П.В. Компьютерная модель формообразования сложной поверхности /Ю.Е.Петухов, Домнин П.В. // - докл. Международная научнотехническая конференция Автоматизация: проблемы, идеи, решения 6-сентября 2010 года г. Севастополь. - Том 1., - С. 197-210. 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. - cсекция 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 ММПП 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 (ТМ-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./ Yu. E.
Petukhov and P. V. Domnin. // Russian Engineering Research ISSN 1068-798X Vol. 31, No. 10, 2011 p. 1013 Входит в индекс цитирования SCOPUS.
Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по техническим специальностям