Введение к работе
Актуальность темы диссертации. Резьбы нашли широкое применение в технике для соединения деталей, передачи вращения, преобразования вращательного движения и в различных инструментах. Например, точные резьбы используются во многих деталях станков, таких как шпиндели, ходовые пары скольжения, качения и т.д. Примером использования резьб в инструментах могут быть метчики и калибры. Для улучшения качества поверхности резьбы и снижения погрешности изготовления профиля на финальной операции производства резьбы применяют резьбошлифование.
Шлифование резьбы производят на специальных резьбошлифовальных станках. Качество производимой резьбы во многом зависит от параметров обработки и формы шлифовального круга.
Некоторые резьбовые детали обрабатываются за несколько операций на разных шлифовальных станках, которые настраиваются вручную под каждую партию деталей, что вносит определенные неудобства и увеличивает время производства детали. Поэтому вектор развития станкостроения в настоящее время направлен на создание автоматизированных универсальных многошпиндельных станков с ЧПУ, в которых участие человека сводится к минимуму. Примером универсальных многошпиндельных станков с ЧПУ для наружного и внутреннего круглошлифования могут служить станки фирмы STUDER с несколькими шлифовальными кругами, которые в зависимости от операции, вращаясь вокруг вертикальной оси, меняются и становятся в рабочую позицию.
Для шлифования различных резьб, как правило, применяют наклон оси шпинделя шлифовального круга на угол подъема винтовой линии резьбы по среднему диаметру. Такая схема обработки не подходит для автоматизированного универсального многошпиндельного станка с вертикальной осью поворота многошпиндельного узла. При этом на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) появилась возможность задавать профилю инструмента любую форму, в том числе, ту форму, с помощью которой будет возможно обработать резьбу при параллельных осях инструмента и шлифуемой детали. Параллельное расположение оси инструмента и оси резьбовой детали позволяет шлифовать внутреннюю резьбу на длинных деталях без опасности столкновения шпинделя или оправки на котором закреплен инструмент с заготовкой.
В настоящее время на производстве используются резьбошлифовальные станки с ЧПУ иностранного производства, таких фирм как Mikromat (Германия), Matrix (Великобритания) и др. со своим программным обеспечением. Обработка резьбы в них
производится с поворотом оси инструмента. Принципы, на которых основаны программный код и математические модели, являются коммерческой тайной разработчиков оборудования. Также появляются резьбошлифовальные станки с ЧПУ отечественного производства, примером может служить резьбошлифовальный станок МШ520 производства ЗАО «МСЗ-Салют».
Таким образом, для большей независимости от иностранных производителей и для
расширения возможностей отечественных станков, а также реализации
автоматизированных универсальных многошпиндельных станков с ЧПУ необходима разработка и внедрение отечественного программного обеспечения. Поэтому производством была поставлена актуальная задача разработки математических моделей и программного обеспечения для решения прямой и обратной задачи профилирования шлифовального круга для чистовой обработки резьбовой части детали с заданной точностью на автоматизированном многошпиндельном станке с ЧПУ при помощи шлифовальных кругов различного профиля при параллельном расположении оси инструмента и резьбы за одну установку детали без ручной переналадки.
Степень разработанности. Значительный вклад в изучение вопросов профилирования инструмента для обработки резьбовых деталей внесли такие ученые, как Колчин Н.И., Шишков В.А., Литвин Ф.Л., Давыдов Я.С., Люкшин В.С., Коростелев Л.В., Шевелева Г.И., Родин П.Р., Гречишников В.А., Лашнев С.И., Кирсанов Г.Н., Лагутин С.А., Сандлер А.И. и многие другие.
Для повышения точности обработки, как правило, подбирали такие параметры установки круга и настройки традиционных правящих устройств, которые позволили бы минимизировать отклонение шлифованной поверхности от исходно заданной. До появления станков с ЧПУ такой подход – простота правки прежде всего - был безусловно правильным. В настоящее время для правки инструмента на станках с ЧПУ необходимо искать решение задачи о математически строгом профилировании шлифовального круга для обработки различных винтовых поверхностей. Использование станков с ЧПУ позволяет при правке воспроизвести требуемую боковую поверхность шлифовального круга. При этом перед каждой правкой возникает необходимость пересчета поверхности круга, что не является сложной задачей.
Для решения прямой и обратной задачи профилирования инструмента при обработке профиля резьбы в основном применяются аналитические методы, на основе которых можно создать расчетные программы для ПК. Однако при решении каждой конкретной задачи профилирования инструмента для обработки резьбы необходимо
учитывать особенности резьбового профиля детали (маленький угол профиля резьбы, большой угол подъема винтовой линии и т.д.) и геометрии инструмента (максимальный диаметр, геометрия рабочего профиля и др.). Именно поэтому некоторые методы профилирования пригодны для решения конкретных задач, но не позволяют провести расчет для остальных случаев, или эти расчеты достаточно трудоемкие и занимают много времени.
Проведенный литературный обзор позволил установить следующее.
Отсутствует единообразие в описании резьб различных типов, что необходимо для создания универсальной методики, позволяющей проводить решение задач синтеза и анализа профилирования инструмента для шлифования многих видов как стандартных, так и нестандартных резьб.
Обычно при решении прямой и обратной задачи профилирования инструмента для обработки резьбы применяется модель огибающей, в которую вносятся необходимые поправки, чтобы устранить возможные особенности формообразования. Для решения задач формообразования также применяется модель обволакивающей, которая использовалась, например, для моделирования нарезания прямозубых цилиндрических колес фрезами-протяжками. Модель обволакивающей применима и для моделирования обработки резьбы дисковым инструментом и позволяет эффективно определять все особенности формообразования поверхностей резанием.
Как правило, при шлифовании резьбы применяется поворот инструментального шпинделя. Описанные в литературе математические модели рассматривают обработку резьбы шлифовальным кругом при параллельном расположении осей инструмента и детали как частный случай. В связи с этим не определена номенклатура резьб, которые можно обработать без наклона оси инструмента с требуемой точностью. Также не исследована зависимость точности обработки резьбового профиля от геометрических параметров инструмента и резьбы.
Следовательно, актуальным является комплексное рассмотрение задачи профилирования рабочей части инструмента и моделирования обработки резьбы с использованием модели обволакивающей для шлифования различных видов прецизионных резьб с необходимой точностью при параллельном расположении оси резьбовой детали и инструмента, а также определение области применения резьбошлифования без поворота оси инструмента.
Цель работы состоит в обеспечении точности обработки резьбовых деталей с различным профилем методом профильного шлифования дисковым инструментом на
отечественных универсальных автоматизированных многошпиндельных
резьбошлифовальных станках с числовым программным управлением без поворота оси инструментального шпинделя за счет определения формы инструмента.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
- разработать обобщенный профиль для резьбовых деталей с метрической, круглой,
трубной, трапецеидальной, трапециевидной и другими видами резьб;
разработать алгоритм расчета профиля шлифовального круга для обработки деталей с резьбой обобщенного профиля при параллельном расположении осей инструмента и резьбовой детали;
разработать математическую модель процесса обработки поверхности резьбы заданным инструментом на основе модели обволакивающей;
установить степень влияния геометрических параметров шлифовального круга (максимально возможный для использования диаметр инструмента и минимальная высота инструмента) и обрабатываемой резьбы (угол профиля, наружный и внутренний диаметры, шаг резьбы) на теоретическую точностью получаемого профиля резьбы;
- провести экспериментальные исследования, подтверждающие адекватность
разработанной методики профилирования как основы для разработки программного
обеспечения, применяемого в отечественных автоматизированных универсальных
многошпиндельных резьбошлифовальных станках с ЧПУ;
- разработать практические рекомендации применения дискового инструмента для
шлифования различных типов резьбы с заданной точностью при параллельном
расположении осей инструмента и резьбы.
Объектом исследования является процесс шлифования резьбы при параллельных осях дискового инструмента и резьбовой детали на автоматизированных универсальных многошпиндельных резьбошлифовальных станках с ЧПУ.
Предметом исследования является установление зависимостей теоретической погрешности обработки рабочего профиля резьбы от геометрических параметров инструмента и резьбы при параллельных осях дискового инструмента и резьбовой детали.
Методы исследования основаны на математическом анализе, теоретической механике, аналитической и дифференциальной геометрии, теории формообразования, теории огибающих, теории обволакивающих и численных методах.
Результаты, полученные автором и выносимые на защиту:
- установленные взаимосвязи между теоретической погрешностью рабочего
профиля получаемой резьбы и геометрическими параметрами инструмента (максимально
возможный диаметр) и обрабатываемой резьбы (угол профиля, шаг, наружный и внутренний диаметры резьбы) при параллельном расположении осей шлифовального круга и шлифуемой резьбовой детали;
- математическая модель формообразования поверхности резьбы детали
шлифованием на основе модели обволакивающих;
- выявленная номенклатура наружной и внутренней резьбы, которую можно
обработать шлифованием с теоретической погрешностью рабочего профиля не более 1
мкм при параллельном расположении осей шлифовального круга и резьбовой детали.
Научная новизна работы заключается в:
математической модели обработки поверхности резьбы шлифовальным кругом при параллельных осях на основе модели обволакивающей, позволяющей выявлять различные особенности формообразования, в том числе, при дискретном задании поверхности инструмента;
формализованной зависимости погрешности профиля трапециевидной резьбы от диаметра шлифовального круга;
взаимосвязи (в виде номограмм) между параметрами круглой резьбы и диаметром инструмента, позволяющей для выбранного типоразмера резьбы определить номенклатуру шлифовальных кругов.
Теоретическая значимость работы заключается:
- в математической модели формирования поверхности резьбы с заданной
точностью на основе модели обволакивающей;
- в функциональных зависимостях теоретической погрешности обработки
поверхности резьбы от геометрических параметров инструмента и резьбы.
Практическая значимость работы заключается в:
установлении принципиальной возможности шлифования деталей с различными видами профиля резьбы без наклона оси инструмента: однозаходные метрические, дюймовые унифицированные, трубные и круглые резьбы с погрешностью профиля, которая не превышает допуски, заложенные в ГОСТ;
разработке программного обеспечения для расчета обобщенного профиля резьбы, с помощью которого можно описать практически любой профиль цилиндрической резьбы;
- внедрении результатов расчетов в промышленное производство резьбовых
деталей на ЗАО «МСЗ-Салют» (Москва);
- проведении подготовки к производству и шлифовании архимедова червяка для механизма деления шлицешлифовального станка и трех метрических калибров с точностью, соответствующей технологическим требованиям.
Достоверность результатов работы обеспечивается непротиворечивостью полученных с использованием математической модели результатов, подтвержденных экспериментами, а также практическим использованием на заводе ЗАО «МСЗ-Салют» материалов диссертационного исследования.
Апробация работы. Основные положения и наиболее важные разделы диссертационной работы докладывались на III международной научно-практической конференции «Фундаментальные и прикладные науки сегодня» (Норт-Чарлстон, США, 2014); на молодежной научно-практической конференции «Автоматизация и информационные технологии» (Москва, 2015), на VII международной научно-практической конференции «Инновационные технологии в науке и образовании» (Чебоксары, 2016), на XVI международной научно-практической конференции «Технические науки – от теории к практике» (Санкт-Петербург, 2017) на заседаниях кафедры теоретической механики и сопротивления материалов и кафедры инструментальной техники и технологии формообразования ФГБОУ ВО «МГТУ «СТАНКИН», а также на заседании кафедры «Технологии и оборудование машиностроения» ФГБОУ ВО «Московский политехнический университет».
Соответствие паспорту специальности. Диссертация соответствует паспорту специальности 05.02.07 – «Технология и оборудование механической и физико-технической обработки», п.4 «Создание, включая проектирование, расчеты и оптимизацию, параметров инструмента и других компонентов оборудования, обеспечивающих технически и экономически эффективные процессы обработки».
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 9 печатных работ, в том числе 3 работы в журналах, рекомендованных ВАК, и одна работа в журнале, входящем в систему Scopus.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 114 наименований и приложений. Работа содержит 244 страниц машинописного текста, 114 рисунков, 35 таблицы, 7 приложений.