Формирование режущей части фасонных борфрез с применением шлифовально-заточных станков с ЧПУ тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.03.01, кандидат технических наук Истоцкий, Владислав Владимирович

• Истоцкий, Владислав Владимирович
• кандидат технических наук
• 2005

Оглавление диссертации кандидат технических наук Истоцкий, Владислав Владимирович

Ввсдсннс

Глава 1. Компьютерное конструирование режущей части борфрез и ^ производящей поверхности

1.1 Параметры винтовой линейчатой поверхности

1.2 Использование винтовых линейчатых поверхностей при проекта- р ровании инструмента в системах ЗО моделирования

1.2.1 Роль исходного сечения при ЗО моделировании борфрез

1.2.2 Обобщение профилей производящей поверхности борфрез

1.3 Математическое описание борфрезы типа "факел"

1.4 ЗЭ моделирование борфрезы типа "факел" 23 Выводы

Глава 2. Решение кинематической задачи профилирования борфрез

2.2.1 Распределение статуса параметров станка мод. ВЭ-392Ф

2.1 Система координат шлифовально-заточного станка мод. ВЭ-392Ф

2.2.2 Положение центров шлифовальных кругов

2.3 Определение координат X, У, Ъ для центра Ои дифференциальным методом

2.5 Определение угла разворота шлифовального круга относительно оси борфрезы

2.4 Определение угла касания (30 методом векторного анализа

2.6 Определение угла поворота заготовки (координата ДА)

2.7 Образование групповых зубьев фасонных борфрез

2.8 Алгоритм Windows совместимого продукта автоматизированной ^ разработки управляющих программ

2.9 Решение кинематической задачи для шлифовально-заточных ^ станков с разворотом шлифовального круга

Выводы

Глава 3. Технологическое обеспечение процесса профилирования фасонных ^ борфрез

3.1 Правка шлифовальных кругов

3.1.1 Различие между операциями правки и заточки

3.1.2 Правка кругов из эльбора алмазными иглами

3.1.3 Правка кругов из эльбора алмазными роликами

3.1.4 Правка алмазных кругов

3.2 Применяемые смазочно-охлаждающие жидкости

3.3 Режимы резания при изготовлении борфрез

3.4 Особенности профилирования борфрез двумя шлифовальными g^ кругами

3.5 Принципы параметрического станочного программирования

3.6 Анализ функций управления дополнительным параметром а

3.7 Определение точностных параметров борфрез

Выводы

Глава 4. Проверка результатов расчета траектории шлифовального круга ^ ^ при формировании фасонных борфрез в системе 3D моделирования

Выводы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Формирование режущей части фасонных борфрез с применением шлифовально-заточных станков с ЧПУ»

В современном машиностроении широко используются инструменты, применяемые на зачистных операциях. Механизированную зачистку в основном выполняют борфрезами, которые характеризуются различными по форме производящими поверхностями, числом зубьев, их расположением и геометрией, а также используемыми инструментальными материалами режущей части.

Конструктивно борфрезы выполняются как концевой инструмент, имеющий режущую часть и хвостовик.

Режущая часть с хвостовиком как правило соединяются при помощи пайки, при твердосплавной режущей части, или стыковой сварки, при материале режущей части, выполняемой из быстрорежущих сталей.

По технологии изготовления борфрезы разделяется на так называемые "чёрные" и "светлые".

Технологический процесс изготовления "чёрных" борфрез выглядит следующим образом:

- предварительное спекание режущей части не до окончательной твёрдости; формирование зубьев; окончательное спекание; припаивание режущей части к хвостовику.

Такой инструмент широко используется благодаря низкой себестоимости, но имеет значительное радиальное и торцовое биения, что отрицательно сказывается на здоровье потребителя из-за воздействия вибраций.

Светлые" борфрезы выполняются при шлифовании "по целому" алмазными или эльборовыми кругами.

До недавнего времени формирование режущей части борфрез выполнялось при помощи универсальных приспособлений, что накладывало определённые ограничения на форму производящей поверхности, число зубьев и угол их наклона.

В современном инструментальном производстве универсальные приспособления вытесняются многокоординатными заточными станками с числовым программным управлением (ЧПУ), которые являются мощным и современным средством автоматизации, в том числе и при производстве борфрез.

Эффективное внедрение заточных станков с ЧПУ при изготовлении борфрез удерживается несколькими факторами: не приспособленностью существующих конструкций борфрез по ГОСТ 18944-73, ГОСТ 18945-73, ГОСТ 18946-73, ГОСТ 18946-73 к изготовлению на подобном оборудовании.

- для оформления передних и задних поверхностей используются аксиально-радиальные поверхности переменного шага, теория профилирования которых разработана недостаточно для использования на многокоординатных станках с

ЧПУ.

На настоящий момент в совершенстве разработана теория профилирования винтовых поверхностей постоянного шага, в которую наиболее существенный вклад внёс проф. С.И. Лашнев.

Вопросами изготовления и проектирования винтовых поверхностей переменного шага занимались отечественные и зарубежные учёные такие как И.А. Дру-жинский, В.А. Гречишников, Б.А. Перепелица, Г.И. Шевелёва, В.Б. Протасьев, Ю.С. Степанов, С.Г. Емельянов, Г.А. Харламов, A.B. Хандожко, С.Ю. Илюхин и др. Объектами исследований были шнеки, винтовые поверхности режущих инструментов, валков для поперечно-винтовой прокатки, конические колёса с криволинейными зубьями, зуборезные инструменты и т.п. ф Первое упоминание о борфрезах, как прототипе современных фрез, приведено в классической работе [1] H.H. Семенченко. Проведённый нами библиографический поиск за двадцать лет, позволил обнаружить только две публикации [2, 37], посвященных борфрезам.

Существующее многообразие систем координат шлифовально-заточных станков с ЧПУ, набор их управляемых движений требует адаптации теории обработки винтовых поверхностей с переменным аксиально-радиальным шагом к изготовлению борфрез, что до настоящего времени не было сделано. Упомянутые авторы в основном решают обратные задачи профилирования, когда при известной производящей поверхности шлифовального круга и траектории его перемещения определяются профиль инструмента и геометрические характеристики его сечений.

При изготовлении борфрез решение обратной задачи очень полезно для по** лучения наиболее качественных характеристик инструмента, но не менее важно определить и саму наиболее рациональную форму шлифовального круга и траекторию его движения, т.е. по классификации проф. С.И. Лашнева решить кинематическую задачу.

Математическое содержание кинематической задачи фактически является инструкцией по программированию перемещений рабочих органов заточных станков для изготовления инструментов, которую разработчики оборудования не разглашают и которая является "ноу хау".

Как правило, пользователь, приобретая подобное оборудование, получает с ним некоторый пакет управляющих программ (УП) для обработки определённого инструмента. Для расширения номенклатуры изготавливаемого инструмента заказчик сталкивается с существенными дополнительными трудностями и расходами.

Можно утверждать, что в России отсутствует программный комплекс позволяющий решать кинематические задачи подобного рода.

По данным автора такими комплексами располагают известные мировые инструментальные фирмы Walter, Saake, Shneberger, а из стран СНГ только республика Беларусь в лице АП "Витебский завод заточных станков" (ВИЗАС).

Отдельно можно рассматривать задачу проектирования конструкции инструмента с использованием технологии CAD/CAM. К сожалению ни стандарты на бор-фрезы, ни рабочие чертежи не позволяют использовать содержащуюся в них информацию для программирования и программисту приходиться перерабатывать существующую конструкторскую документацию.

Однако при разработке конструкторской документации имеет место следующее противоречие - потребителю не нужен сложный чертёж на борфрезу, ему нужен чертёж раскрывающий эксплуатационные возможности, а изготовителю этого не достаточно.

Частично, но в адаптированном виде, при решении вопросов профилирования можно применить результаты работ [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13], но в остальном, включая процедуру проектирования борфрез, технологию их изготовления алмазным инструментом "по целому" на заточных станках с ЧПУ, решение т.н. кинематической задачи [3], автоматизированную систему разработки управляющих программ, в данной работе пришлось выполнять без использования технических решений, опубликованных в научных изданиях.

Целыо настоящей работы является разработка отечественного программно-методического комплекса, позволяющего на станках с ЧПУ изготавливать различные борфрезы с различной формой производящей поверхности.

Детализируя цель работы можно выделить следующие научные задачи, решение которых позволит изготавливать конкурентно способные качественные отечественные борфрезы:

- разработать методику компьютерного проектирования чертежей борфрез с использованием 3D моделирования, удовлетворяющую потребностям потребителя и являющуюся основой для последующего решения кинематических задач; выполнить обобщение форм производящих поверхностей борфрез, позволяющее обрабатывать все борфрезы с использованием единого программного комплекса, построенного на общей исходной информации;

- разработать математический аппарат для решения кинематической задачи с использованием возможностей ЭВМ;

- разработать общую математическую модель борфрез, позволяющую на заточных станках с ЧПУ изготавливать борфрезы с одинаковыми и т.н. групповыми зубьями;

- разработать технологию правки шлифовальных кругов средствами ЧПУ, включаемую в общий программно-методический комплекс; определить режимные параметры при шлифовании зубьев борфрез "по целому" с помощью алмазных шлифовальных кругов;

- разработать Windows совместимый программный продукт для создания УП при изготовлении борфрез и внедрить его в действующее производство.

Научная новизна работы заключается в разработке методики комплексного проектирования и изготовления фасонных борфрез с обычными и групповыми зубьями на заточных станках с ЧПУ, учитывающей: условия профилирования винтовых поверхностей аксиально — радиального переменного шага;

- закономерности изменения основных и зависимых параметров, характеризующих конструкцию режущей части борфрез; кинематические особенности и технологические ограничения заточных полуавтоматов.

Заключение диссертации по теме «Технологии и оборудование механической и физико-технической обработки», Истоцкий, Владислав Владимирович

Выводы:

1. Рассмотрены основные координатные системы, используемые для описания импортируемых объектов. Произведён выбор оптимальной координатной системы, полностью совмещаемый с системой координат, используемой при решении кинематической задачи профилирования фасонных борфрез;

2. Описан формат файла, характеризующего местоположение импортируемого объекта в пространстве 3D системы;

3. Рассмотрены основные положения методики по определению углов подъёма винтовых линий стружечных канавок фасонных борфрез.

Заключение и основные выводы

1. Разработан отечественный программный продукт для автоматизированного проектирования фасонных борфрез и создания управляющих программ для заточных станков с ЧПУ включающий:

- использование 3D моделей для построения режущей части борфрез и проверки правильности управляющей программы;

- решение кинематической задачи для всех типоразмеров и форм борфрез с использованием обобщающей производящей поверхности;

- технологию автоматизированной правки шлифовальных кругов;

- определение величин контурных подач для различных условий и величин припусков, снимаемых при формировании зубьев режущей части при шлифовании "по целому".

- формообразование инструментов с так называемыми "длинными" и групповыми зубьями.

2. Проанализированы технологические возможности шлифовально-заточных станков с числовым программным управлением моделей ВЭ-352Ф4, Walter в результате установлен статус дополнительных, установочных и управляемых координат оборудования. Показано, что в качестве постоянной (установочной) координаты рационально использовать угол разворота стола относительно оси шлифовального круга.

3. Показано, что для формирования зубьев борфрез на шлифовал ьно-заточных станках мод. ВЭ-392Ф4 и их модификаций наиболее подходит упрощённая локсодромическая кривая, обеспечивающая постоянный угол скрещивания между осями заготовки и шлифовального круга.

4. Исследованы основные аспекты технологического обеспечения при изготовлении режущей части твёрдосплавных и быстрорежущих фасонных борфрез:

- определены марки шлифовальных абразивных кругов;

- получены математические зависимости для выполнения процесса правки кругов средствами СЧПУ и рассмотрен прогрессивный способ правки алмазными роликами;

- определены зависимости для определения величин контурных подач на различных участках профиля и определены поправочные коэффициенты, учитывающие технологические особенности различных зон обрабатываемых борфрез;

- доказано, что при использовании четырёх управляемых координат и одной установочной величины нормальных передних углов на длинных и коротких зубьях не выходят за пределы заданного допуска.

5. Определена рациональная функция, определяющая смещение центра шлифовального круга относительно осевого сечения обрабатываемой борфрезы. Предложенная функция учитывает особенности станков ВЗ-Э92Ф4 и последующих аналогичных моделей и не имеет динамических ограничений.

6. Совокупность проведённых исследований позволяет формировать зубья всех форм фасонных борфрез как по стандартам России, так и по зарубежным каталогам.

7. Разработанный программный продукт в течении 2003. .2005 г.г. эксплуатируется на Серпуховском инструментальном заводе (СИЗ "ТвИнТОс") при изготовлении борфрез с "длинными" зубьями и обеспечил повышение их стойкости до 2.2х раз (акт внедрения прилагается). Стойкость инструментов составляет 90.95% в сравнении с зарубежными образцами. В 2005 г. осуществлено внедрение программ для изготовления борфрез всех форм с групповым расположением зубьев.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Истоцкий, Владислав Владимирович, 2005 год

1. Аршанский Е.А., Конников М.Н., Рабинович A.M. Формирование зубьев группового расположения на сферических борфрезах // СТИН. №10. 1986. с. 23.

2. Лашнев С.И., Юликов М.И. Расчёт и конструирование металлорежущих инструментов с применением ЭВМ., М., "Машиностроение" , 1975.

3. Илюхин С.Ю. Автоматизированное проектирование режущего инструмента // Сборник научных трудов ведущих ученых технологического факультета. — Тула: ТулГУ, 2000. с. 73-75.

4. Илюхин С.Ю. Каркасно-кинематический метод профилирования // Труды IV международного конгресса "Конструкторско-технологическая информатика 2000". М.: СТАНКИН, 2000. - с. 224-227.

5. Математическая модель решения задач профилирования с использованием каркасно-кинематического метода / С.Ю. Илюхин, С.А. Крутилин, A.B. Доронин; Тул. гос. ун-т. Тула, 2001.-22 е.: ил. - Рус.-Деп. в ВИНИТИ 29.01.02, №161-В2002.

6. Протасьев В.Б., Ушаков М.В., Илюхин С.Ю. Профилирование поверхностей, обрабатываемых при переменных параметрах дисковых режущих инструментов. М.: ВНИИТЭМР, 1985. - 12 с.

7. Илюхин С.Ю., Протасьев В.Б. Современные тенденции развития методов профилирования // Труды IV международного конгресса "Конструкторско-технологическая информатика 2000". М.: СТАНКИН, 2000. с. 227-229.

8. Протасьев В.Б., Илюхин С.Ю. Расчет профиля поверхностей, обрабатываемых дисковыми инструментами при переменных параметрах установки. — М.: ВНИИТЭМР, 1985.-11 с.

9. Брусов С.И., Тарапанов A.C., Харламов Г.А. Комплексный анализ и управление механической обработкой винтовых поверхностей // Справочник. Инженерный журнал. 2002. №11. с. 27-29.

10. Илюхин С.Ю. Теория моделирования формообразования поверхностей деталей машин с использованием каркасно-кинематического метода: Монография. Тула: ГУИПП "Тульский полиграфист", 2002г. 176с. ил.

11. Каравайский В.В. Избранные труды, т.2. Москва. Геодезия 1959 г.

12. Борфрезы концевые и насадные, сферические, цилиндрические, конические из быстрорежущей стали: ГОСТ 22134-76 ГОСТ 22158-76. переизд. М. Изд-во стандартов. 1982, 1987.

13. Илюхин С.Ю. Проектирование валков для поперечно-клиновой прокатки заготовок бор-фрез // Технология механической обработки и сборки. — Тула: ТулГУ, 1994.-с. 48-53.

14. Палей М.М. Технология и автоматизация инструментального производства: Учебник для вузов. Волгоград.: Волгоград, гос. ун-т. 1995. 488 е.: ил.

15. Протасьев В.Б., Истоцкий В.В. Профилирование сферических борфрезс косыми зубьями // Труды Международной научно-технической конференции, посвященной памяти выдающихся ученых Коганова H.A. и Лаптева С.И. Тула: Тул-ГУ, 2002.

16. Попов A.B. Влияние параметров шлифования на оптимальную концентрацию алмазов в кругах на органических связках. // Вестник машиностроения.1999. №12. с. 48-50.

17. Романов В.Ф., Авакян В.В. Технология алмазной правки шлифовальных кругов. -М.: Машиностроение, 1980.-118 с.

18. Брусов С.И., Тарапанов A.C., Харламов Г.А. Прогнозирование износа режущих инструментов для обработки винтовых поверхностей // Справочник. Инженерный журнал. 2003. №4. с. 13-14.

19. Попов A.B. Влияние режимов алмазного шлифования на эффективность применения СОЖ на водной основе. Изв. ТулГУ. Сер. Машиностроение. Вып. 5.2000. с. 180-182.

20. Попов A.B. Влияние СОЖ на удельный расход алмазов при шлифовании твердых сплавов кругами на органических связках. // Вестник машиностроения. 2000. №7. с. 38-40.

21. Попов A.B. Влияние СОЖ на выбор оптимальной скорости резания при алмазном шлифовании твердых сплавов. // Вестник машиностроения. 2001. №11. с. 75-76.

22. Дружининский И.А. Сложные поверхности: Математическое описание и технологическое обеспечение: Справочник. —JL: Машиностроение, Ленингр. отд-ние, 1985. — 263 е., ил.

23. М.Д. Флид. Технология и оснастка для заточки твердосплавных борфрез. // СТИН. №6. 1993. с.42-43.

24. Справочник инструментальщика / И.А. Ординарцев, Г.В. Филиппов, А.Н. Шевченко и др.; Под общ. ред. И.А. Ординарцева. Л.: Машиностроение. Ленингр. отделение, 1987.-840 е.: ил.

25. Попов А.В. Механико-прочностной анализ алмазного шлифования инструмента. Тул. гос. ун-т. Тула, 2003.-227 с.

26. Машиностроение. Энциклопедия / Ред. Совет: К.В. Фролов (пред.) и др. — М.: Машиностроение. Технология изготовления деталей машин Т. Ill -3/А.М. Даль-ский, А.Г. Суслов, Ю.Ф. Назаров и др.; под общ. ред. А.Г. Суслова. 2000. 840 е., ил.

27. Брусов С.И., Тарапанов А.С., Харламов Г.А. Комплексный анализ и управление механической обработкой винтовых поверхностей//. Издательство "Машиностроение". Справочник. Инженерный журнал. 2002. №11.-С.27-29

28. Поиск рациональных параметров установки, наладочных размеров выполняются но автоматизированному циклу. При использовании программ на станке 133-392Ф4 в сравнении с начальной стадией обеспечено среднее повышение производительности не менее чем в 2 раза.

29. В ходе разработки программного продукта была произведена корректировка геометрических параметров борфрез, позволившая устранить положения ГОСТ, нарушающие выполнение условий профилирования, возникающих при изготовлении борфрез.

30. Представители заказчика: Нач. цеха №6 Пелевинов Е.Г

31. Начальник ТО Горшкова Р.П. с\\ Главный технолог Калакин В.М.1. Исполнители: ^—д.т.н. проф. Протасьев В.Б. (/) / —1инженер Истоцкий В.В.

32. УТВЕРЖДАЮ» Гс н. Д11 рс кто р;С5лО «С ИЗ »ТВ И НТОС»у^З^Г ^^Грттшррсмстьсрг.1. АКТ от 01.07.05г.

33. Управляющая программа принята в производство.

34. Малыхин М.Е. Мочилина Л.Ф. Истоцкий В.В. Сашлтпев К.В.1. УТВЕРЖДАЮген. директор ОАО "СИЗ'ТВИНТОС">::у>В.М. Шереметьев1. Ш! » ; Ш 2005-•у1. АКТ от 30.08.05

35. В соответствии с планом графиком разработки программного обеспечения на шлифование борфрез с секторной нарезкой (групповой зуб) изготовлена опытная партия сфероконических борфрез количество секторов

36. Геометрические параметры изготовленных борфрез соответствуют чертежу № й£ $ -¿^Замечаний по внешнему виду нет.

37. Управляющая программа принята в производство.

38. Начальник цеха №6 Контрольный мастер Главный конструктор Главный технолог

39. Крылов А.А. Мочилина Л.Ф. Истоцкий В.В."с/^ъ ^а^О-Г Сайгушев К.В.- УТВЕРЖДАЮген': директор ОАО "СИЗ'ТВИНТОС"1. Е.М. Шереметьев 2005 г.1. АКТ от 30.08.05

40. Управляющая программа принята в производство.

41. Начальник цеха №6 Контрольный мастер Главный конструктор Главный технолог-исиУа!М^лГ Сайгушев К.В.