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 руководитель: 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 «22» 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 « » 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 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» (МИКМУСМосква, 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.

Рис.1 Схема основных факторов и показателей процесса формообразования винтовых поверхностей фрезерованием Вторая глава диссертации была посвящена решению обратной задачи профилирования, а также созданию математической модели обработки фасонной винтовой канавки инструментов фрезами прямого профиля.

исходном положении ось концевой фрезы располагается вертикально и пересекает ось обрабатываемой детали под прямым углом, а торец фрезы совмещен с Рис. 3 Форма профиля стружечной канавки кон- Установка фрезы на станке цевой фрезы и его основные параметры заключается (рис.4) в перемещении фрезы вдоль своей оси 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.

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 угол скрещивания -, межосевое расстояние- m, а также величина, характеризующая положение точки скрещивания; эту величину определяет расстояние l от точки скрещивания до (от точки Рис.4 Схема расположения фрезы при обработке винтовой поверхности 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.

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 мотельность дели (параметры преобразований систем коордипреобразова- нат) Матрицы последовательного преобразования систем координат