Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1. Состояние вопроса, постановка проблемы и задачи исследований 11
1.1. Обзор видов резьб и резьбовых деталей, применяемых в машиностроении и методов их изготовления 11
1.2. Обзор способа и конструкции инструмента для планетарного резьбофрезерования внутренних резьб 27
1.3. Вопросы обеспечения точности планетарной обработки внутренних резьб на станках с ЧПУ резьбовыми фрезами с твердосплавными пластинами 37
1.4. Выводы по главе и постановка задач исследования 48
ГЛАВА 2. Исследования кинематических схем обработки внутренней резьбы резьбовыми фрезами с планетарным движением 49
2.1. Формирование'кинематических схем и расчет параметров срезаемого слоя при обработке резьб резьбовыми фрезами с СТП 50
2.2. Расчет режимов резания при нарезании внутренней резьбы резьбовыми фрезами с СТП 64
2.3. Анализ схем резания при резьбофрезеровании внутренних резьб с планетарным движением инструмента 69
2.4. Анализ зависимостей изменений величин срезаемого слоя от различных параметров при нарезании внутренних резьб с планетарным движением инструмента 79
2.5. Распределение нагрузки на режущий клин зуба фрезы и расчет действующих сил 85
2.6. Определение кинематических задних углов на резьбообразующей части резьбовой фрезы 90
2.7. Выводы по главе 104
ГЛАВА 3. Экспериментальные исследования по определению сил резания при планетарном резьбофрезеровании внутренней резьбы фрезами с СТП 106
3.1. Анализ методов расчета сил резания при фрезеровании 106
3.2. Определение сил резания при обработке внутренних резьб инструментом с планетарным движением 109
3.3. Методика проведения экспериментальных исследований по определению сил резания 113
3.4. Экспериментальные исследования и построение математических моделей, описывающих влияние факторов процесса планетарного резьбообразования на составляющие силы резания Pz, Ру 125
3.5. Разработка алгоритма расчета мгновенных значений составляющих сил резания при резьбофрезеровании внутренних резьб с планетарным движением инструмента 139
3.6. Выводы по главе 143
ГЛАВА 4. Разработка и исследование способа повышения жесткости и виброустойчивости резьбовых фрез при планетарном резьбофрезеровании внутренней резьбы 146
4.1. Исследование влияния жесткости сборной резьбовой фрезы с СТП на точность обрабатываемой внутренней резьбы 146
4.2. Способ планетарного резьбофрезерования внутренней резьбы резьбовой фрезой с передней направляющей 153
4.3. Исследование влияния передней направляющей у резьбовой фрезы на точность формообразования внутренней резьбы 159
4.4. Патентный обзор способов демпфирования инструмента с механическим креплением твердосплавной пластины 166
4.5. Исследование жесткости и демпфирующей способности механизма крепления твердосплавной пластины 171
4.6. Экспериментальные исследования демпфирующей способности твердосплавной пластины с повышенной виброустойчивостью 176
4.7. Выводы по главе 185
Общие выводы 187
Список литературы 190
Приложения 200
- Обзор способа и конструкции инструмента для планетарного резьбофрезерования внутренних резьб
- Анализ схем резания при резьбофрезеровании внутренних резьб с планетарным движением инструмента
- Определение сил резания при обработке внутренних резьб инструментом с планетарным движением
- Способ планетарного резьбофрезерования внутренней резьбы резьбовой фрезой с передней направляющей
Введение к работе
Технология нарезания резьб в деталях — один из трудоемких и наиболее распространенных процессов механической обработки. Резьбонарезание внутренних резьб более сложный процесс из-за ограниченного пространства, в котором вынужден работать инструмент. Большое разнообразие видов резьб, условий их эксплуатации и технических требований к ним обусловлено применением многих способов резьбообразования. Каждый из этих способов имеет определенные достоинства, недостатки и наиболее целесообразную область применения.
Проблеме повышения производительности, качества и обработки резьб посвящено большое число исследований и разработок ученых: В.В. Матвеева, И.Я. Мирнова, Ю.Л. Фрумина, В.Г. Трудова, А.С. Ямникова, В. А. Гречишникова, В.Г. Якухина, Т.А. Султанова, Г.Г. Иноземцева, А.О. Этина и другие, которые составляют фундамент для дальнейшего развития науки, созданию новых способов формирования резьбы, новых технологий и внедрение ее в производство.
В работах по исследованию процесса резьбофрезерования основное внимание уделено совершенствованию традиционных способов и устройств, что не всегда приводит к обеспечению максимальной производительности при минимальной себестоимости и требуемом качестве резьбы.
В тоже время известен способ вихревого нарезания резьбы, как способ скоростного фрезерования вращающимися резцами [8, 17, 20, 47]. В современной технической литературе данный способ отмечается, как способ обработки резьбы с планетарным движением инструмента.
По сравнению с другими способами обработки резьбы данный вариант обеспечивает уменьшение машинного времени, благодаря высоким скоростям резания и подачам, возможность полной обработки резьбы и образования полного по глубине профиля резьбы за один рабочий ход. Имея короткую и легко удаляемую стружку, сокращается время на обслуживание станка при
удалении стружки. Одним инструментом можно обрабатывать как левые, так и правые резьбы, как внутренние, так и наружные, независимо от диаметра резьбы. При поломке инструмента его легко извлечь из отверстия. Заданный класс точности и характер сопряжения резьбы можно получить одним инструментом, вводя соответствующие коррективы в управляющую программу станка с ЧПУ. Резьба в глухом отверстии нарезается полнопрофильной практически по всей длине отверстия, исключая необходимость растачивания канавки для выхода инструмента. Данный способ хорошо зарекомендовал себя при обработке отливок из серого и высокопрочного чугуна, отливок из алюминиевых сплавов, нержавеющих сталей и титана.
Способ обработки резьбы инструментом с планетарным движением впервые описан, как скоростное нарезание резьбы вращающимися резцами [104], и опубликован в работе Фраткина A.M. в 1948 году [4]. К проблеме скоростного нарезания резьбы был проявлен значительный интерес ученых и производственников в 50-х годах [8, 20, 83, 90], где были рассмотрены основные вопросы кинематики нарезания резьбы вращающимися резцами, износа и стойкости резцов из твердых сплавов [1,2, 102].
Несмотря на достоинства, этот способ все же не получил широкого распространения, поскольку обеспечение сложных совместных движений инструмента и детали требовало использование специальных станков или приспособлений.
На современном этапе развития машиностроения появилась целая гамма станков с ЧПУ, на которых обработка резьб инструментом с планетарным движением значительно упрощается, обеспечивая заданную схему нарезания.
В настоящее время на рынке инструмента ведущими фирмами «Sandvik Coromant», «Titex Plus», «Emuge», «Guhring», «Kennametal», «Vardex», «Korloy» и рядом других, предлагаются различные конструкции резьбовых фрез для планетарной обработки резьбовых отверстий, как цельные из быстрорежущей стали, так и из монолитных твердых сплавов, а также резьбовые фрезы со
сменными неперетачиваемыми пластинками твердого сплава (СТП) различного исполнения.
Анализ патентов за последние годы и технической литературы показал возрастание интереса к данному способу обработки и инструменту для его осуществления. Это подтверждается регистрацией в промышленно развитых странах ряда новых патентов на изобретения и свидетельств на полезные модели в этой области.
Рекомендации фирм производителей, а также опыт эксплуатации данного инструмента для внутренних резьб показали, что далеко не все проблемы, связанные с точностью обрабатываемой резьбы и износом инструмента решены на сегодняшний день. Из-за сложных условий и специфики процесса резьбофрезерования внутренней резьбы с планетарным движением инструмента обработка сопровождается неустойчивым процессом резания. Это приводит к изгибной деформации инструмента в процессе резания и возникновению вибраций, что исследовано в недостаточной степени. В результате происходит неполное по профилю нарезание внутренней резьбы. Размеры по среднему диаметру значительно превышают допустимые значения поля допуска.
В настоящее время данная проблема решается за счет введения ряда конструктивных и технологических ограничений, таких, как глубина обрабатываемого отверстия, которая не превышает 2-3 диаметра инструмента. Занижаются режимы обработки. Данный способ не применяют для обработки труднообрабатываемых материалов. С учетом выше сказанного существенно сужаются потенциальные возможности данного способа, что делает его менее эффективным.
В ряде последних научных исследований, посвященных данному способу обработки внутренней резьбы, основное внимание уделялось исследованиям кинематических схем процесса и вопросам проектирования инструмента, связанных с качеством обрабатываемой резьбы [55, 60]. Силовые характеристики процесса исследованы недостаточно глубоко, что не давало возможности в
полной мере оценить влияние этих характеристик на точность обрабатываемой резьбы.
Обобщая вышесказанное, следует отметить, что недостаточное полное исследование вопросов, связанных с усовершенствованием процесса планетарного резьбофрезерования внутренних резьб резьбовыми фрезами с твердосплавными пластинами, сдерживает возможность их применения и дальнейшего эффективного распространения.
Целью работы является повышение точности формообразования внутренних резьб фрезами с твердосплавными пластинами при планетарном движении инструмента на основе исследований силовых характеристик резания, разработки инструмента с повышенной жесткостью и виброустойчивостью.
При решении поставленной цели получены следующие научные и практические результаты, которые выносятся на защиту.
Научная новизна работы состоит:
- в установленных аналитических зависимостях по определению сил резания
при встречном, попутном планетарном резьбофрезеровании и радиальном
врезании с учетом: величины срезаемого слоя, схемы резания, кинематического
заднего угла, геометрических параметров твердосплавной пластины и
отношения диаметра обрабатываемого отверстия к диаметру инструмента
-Ь'отв.'-'-'фр.э
в закономерностях характера изменения составляющих сил резания при попутном, встречном планетарном резьбофрезеровании внутренней резьбы и радиальном врезании на основе экспериментальных данных;
в алгоритме для определения максимальных и мгновенных составляющих сил резания на протяжении длины контакта зуба фрезы с деталью при попутном и встречном планетарном резьбофрезеровании внутренней резьбы;
- в обосновании возможности применения резьбовой фрезы с СТП с
передней направляющей при планетарном резьбофрезеровании и
экспериментальном подтверждении обеспечения точности формообразования внутренней резьбы;
- в экспериментальном определении демпфирующей способности сборной
твердосплавной резьбовой пластины со вставками из различного материала и
разработке рекомендаций по их применению.
Практическая ценность работы состоит:
- в разработке методики определения нагрузки на режущую кромку
твердосплавной пластины и на инструмент в целом, реализованной в
программном обеспечении для ПК, которая дает возможность при
проектировании сборных резьбовых фрез для внутренней резьбы более точно
рассчитывать оптимальные параметры инструмента и подбирать оптимальные
условия обработки;
в рекомендациях по подбору режимов и схем резания для обеспечения точности формообразования резьбы, полученных на основе алгоритма и программы расчета максимальных и мгновенных составляющих сил резания при планетарном резьбофрезеровании внутренней резьбы;
в разработке конструкции резьбовой фрезы с передней направляющей, способной обрабатывать внутренние резьбы глубиной более трех диаметров инструмента в пределах допуска на резьбу и обоснованных рекомендациях по ее применению;
в рекомендациях по применению твердосплавных пластин с демпфирующими вставками с целью уменьшения амплитуды радиального перемещения твердосплавной пластины от вибрационных нагрузок.
Апробация работы. Основные положения диссертационной работы
докладывались и получили одобрение на 4 конференциях, в том числе на
Международной юбилейной научно-технической конференции
"Инструментальные системы машиностроительных производств", посвященной 105 летию со дня рождения С.С. Петрухина, (г. Тула, 2008 г.), на 6-й Международной научно-технической конференции «Проблемы качества машин
и их конкурентоспособности» (г. Брянск, 2008 г.), обсуждались на заседании кафедры «Инструментальная техника и технология формообразования» МГТУ «Станкин», а также были удостоены бронзовой медали на IX Московском международном салоне инноваций и инвестиций 2009, золотой медали на 34 Международном салоне изобретений «INOVA» (г. Загреб, 2009 г.) и бронзовой медали на XIII Московском международном салоне промышленной собственности «Архимед-2010».
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе три работы в журналах, входящих в перечень ВАК и 2 патента на изобретение.
Обзор способа и конструкции инструмента для планетарного резьбофрезерования внутренних резьб
В настоящее время особый интерес в машиностроении вызывают методы обработки сложных поверхностей на станках с ЧПУ. Планетарное резьбофрезерование является одним из таких методов.
Вихревое нарезание резьб известно давно, как метод скоростного фрезерования [17]. Для обработки вихревым резанием использовали токарные или специальные резьбообрабатывающие станки, созданные на базе токарных, где на суппорте станка устанавливалась резцовая головка вместе с электродвигателем. Также применялись другие универсальные станки, на которых устанавливались специальные приспособления, обеспечивающие кинематику данного процесса. В научных и практических разработках по данному способу в основном рассматривалось нарезание наружных резьбовых поверхностей. Это объяснялось технологическими трудностями, возникающими при обработке внутренних резьб, а в ряде случаев - просто невозможностью осуществления данного процесса.
Данные обстоятельства существенно ограничивали технологическую гибкость этого способа при обработке внутренней резьбы и эффективность его применения. В связи с этим, данный прогрессивный способ долгое время не имел широкого распространения в области металлообработки.
Последнее десятилетие отмечается ростом количества станков с ЧПУ различных типов в машиностроении, как за счет отечественного станкостроения, так и за счет увеличения роста импорта станков с ЧПУ (рис. 1.6). В производстве появились станки с ЧПУ, способные обрабатывать одновременно по трем и более координатам, имеющие высокооборотные шпиндели от 10-60 и более тысяч оборотов в минуту.
В работе [77] говорится, что основным узлом, от которого в первую очередь зависит точность станка является шпиндельный узел. Он вместе с инструментом является также основной составляющей технологической системы, несущей определенную часть всех погрешностей, возникающих при обработке. Здесь отмечается, что, учитывая повышенные требования по точности обработки, используемые в настоящее время быстроходные шпиндели обеспечивают достаточную жесткость и виброустойчивость. Виброперемещения корпуса шпиндельного узла на всем диапазоне частоты вращения шпинделя не превышают По данным информационной фирмы Gardner Publications Россия оказывается пока на 17 месте в мире по потреблению оборудования данного типа. Но устойчивая тенденция увеличения станков с ЧПУ наблюдается во всех отечественных отраслях, связанных с машиностроением (рис. 1.7). Таким образом, созданы предпосылки совершенствования кинематики взаимодействия инструмента и заготовки и многие проблемы, связанные с обеспечением кинематики процесса планетарного нарезания, практически были решены, что вызвало новый виток в развитии данного способа, в том числе и в области нарезания внутренних резьб.
В настоящее время большинство зарубежных фирм идут по пути совершенствования и развития обработки сложных поверхностей с использованием планетарного движения инструмента. Анализ последних отечественных разработок и исследований в этом направлении указывает на определенный повышенный интерес у специалистов к совершенствованию подобных прогрессивных способов обработки.
Тем не менее, используя современное оборудование и совершенствуя способы и инструменты для резьбонарезания внутренних резьб, в машиностроении данный вид обработки все же еще является проблемной операцией.Результат анализа спроса на основные виды инструмента, полученный фирмой «ИнструментИмпэкс» показал, что в металлообработке резьбообразующий инструмент занимает лидирующее место [32].
Это связано не только с тем, что резьбовые поверхности занимают весомое значение в различных механизмах, но и с тем, что формообразование резьбы является одним из трудоемких методов обработки, требующим либо сложных движений при относительно простой конструкции инструмента, либо сложного резьбообразующего инструмента. Особенно это относится к нарезанию внутренних резьб, где инструмент вынужден работать в ограниченном пространстве. В этом случае при резьбонарезании режущая кромка работает в трудных условиях с точки зрения резания, что сопровождается повышенным износом и частой поломкой.
Отмечено, что наряду с известными традиционными методами обработки внутренних резьб, наиболее распространенным является метод нарезания резьбы метчиком [107], который имеет ряд недостатков, ограничивающих его эффективность в автоматизированном производстве. Например: требуется специальная оснастка, обеспечивающая ввод и вывод метчика в отверстие; высокая вероятность поломки метчика в отверстии приводит к браку всей детали; невозможность обрабатывать внутреннюю резьбу с большим шагом за один проход и другие [59, 99].
В технической зарубежной и отечественной литературе все чаще появляются работы, где обработка резьбы с планетарным движением инструмента выделяется, как наиболее эффективная альтернатива традиционному резьбонарезанию в современном производстве [50, 56].
Анализ рынка металлорежущего инструмента, проведенный ведущей фирмой «Vargus» в этой области показал, что в последнее время проявляется повышенный интерес у отечественных производителей к резьбонарезному инструменту, работающему с планетарным движением (рис. 1.8). Такие фирмы, как «Sandvik Coromant», «Vargus», «Titex Plus», «Korloy» и другие, активно демонстрируют и предлагают широкий ассортимент инструмента для планетарного резьбофрезерования на станках с ЧПУ.Резьбовые фрезы, оснащенные сменными неперетачиваемыми пластинами твердого сплава (СТП), по зарубежным каталогам известные, как резьбовые фрезы системы ТМС фирмы «KENNAMETAL HERTEL», работающие по схеме планетарного движения инструмента при обработке внутренних резьб диаметром от 9.5 мм и выше.
Резьбовые фрезы с СТП рекомендуется применять для обработки резьб в крупногабаритных деталях, которые трудно или невозможно закрепить на токарном станке для нарезания резьбы резцом, в несимметричных деталях, имеющих при вращении значительный дисбаланс, в глухих отверстиях без канавок, без выхода резьбового инструмента.
По сравнению с другими способами обработки резьбы резьбовые фрезы с СТП имеют определенные преимущества. В первую очередь, это сокращение машинного времени, благодаря высоким скоростям резания и подачам, возможность формирования полного по глубине профиля резьбы за один рабочий ход. Благодаря получению короткой, легко удаляемой стружки, сокращается время на удаление стружки. Кроме того, возможно сокращение складского запаса инструмента, благодаря применению одного инструмента для левых и правых резьб, одного корпуса фрезы для наружной и внутренней резьбы и резьб различного профиля и шага, наличию на каждой пластине двух режущих кромок и нанесенному на пластины износостойкого покрытия, повышающего их стойкость.Конструктивные особенности сборных фрез данного типа мало отличаются друг от друга. Крепление СТП осуществляется винтом через отверстие в
Анализ схем резания при резьбофрезеровании внутренних резьб с планетарным движением инструмента
При резьбофрезеровании резьбовыми фрезами с СТП с планетарным движением инструмента профиль резьбы обычно формируют за один проход. Крупные резьбы также нарезаются за один проход, обеспечивая допустимую нагрузку на инструмент и режущую кромку, путем правильного выбора круговой подачи и профиля резьбовой пластинки. Для деталей с большим диаметром отверстия допустимая нагрузка на режущую кромку обеспечивается за счет увеличения количества работающих твердосплавных пластин.
Впадину резьбы можно обрабатывать либо одинаковыми по профилю зубцами, либо зубцами различного профиля. В первом случае используют зубцы полного профиля - профильная схема резания, во втором случае — зубцы раздельного профиля.
Нарезание внутренней резьбы с раздельной схемой резания (рис. 2.5) за несколько проходов имеет существенные недостатки — увеличивается машинное время и ухудшается качество резьбы, так как сложно обеспечить точное позиционирование профиля зуба фрезы при последующем проходе. Кроме того, увеличивается количество инструментов для обработки одного профиля резьбы.
Из этого следует, что схему нарезания внутренней резьбы с раздельной схемой резания можно рассматривать как один из способов снижения допустимых нагрузок. Для фрез с планетарным движением он может применяться в отдельных исключительных случаях, когда требуется нарезать резьбу крупного профиля с шагом более 6 мм [48].
Для нарезания внутренней резьбы с планетарным движением инструмента применяют профильную схему резания, при которой последовательно срезается припуск с заготовки по всему профилю за один рез инструмента. При резьбофрезеровании полным профилем в контакт с деталью одновременно вступают все режущие кромки профиля зуба, что приводит к увеличению нагрузок на твердосплавную пластину.
Фрагменты стружек снятия всеми кромками зуба при сходе по передней поверхности сталкиваются и деформируются, что приводит к увеличению давления стружки на зуб. Большая ширина срезаемого слоя и повышенное давление на зуб приводит к повышенной нагрузке на режущий элемент инструмента. На практике при нарезании внутренних резьб резьбовыми фрезами с СТП применяют 4 варианта профильной схемы резания (рис. 2.6, рис. 2.7).
Нагруженное состояние режущих кромок на резьбовой твердосплавной пластине определяется суммарной площадью величин срезаемого слоя fz. Если в первом приближении можно принять, что площадь срезаемого слоя fz обрабатываемого материала оказывает на лезвие зуба фрезы удельное давление ро, то сила резания FH, направленная по нормали к передней поверхности зуба, равна [24]:
Таким образом, по величине и характеру изменения площади fz можно в той или иной степени сравнивать нагрузку на СТП при различных схемах резания.На рис. 2.6 I показана схема резания твердосплавной пластиной с одним профильным зубцом, которая снимает весь припуск на обработку, площадь которого в нормальном сечении равна: где 1-ширина основания профиля зуба фрезы.
Площадь срезаемого слоя за один оборот зуба фрезы определяется по формуле: По данной схеме фрезеруется резьба с осевой подачей в направлении отверстия и в направлении подачи из отверстия по всей длине заготовки. Преимущество этой схемы состоит в том, что одним инструментом можно обрабатывать один тип резьбы с различным шагом на разных диаметрах.
Площадь профиля резьбы определяет площадь срезаемого слоя. При такой схеме резания производительность нарезания резьбы невысокая, а стойкость инструмента относительно низкая, так как одним зубцом нарезается резьба по всей длине. Вследствие этого ухудшается точность и качество обрабатываемой поверхности.
На рис. 2.6 II показана схема резания с несколькими зубцами резьбового профиля на твердосплавной пластине, вершины которых расположены на одной прямой при угле ф=0. Общая площадь S06W. припуска на обработку при данной схеме будет определяться суммой площадей, снимаемых каждым зубцом: где S„i - площадь припуска, срезаемая nj зубцом.
Площадь срезаемого слоя по сравнению с предыдущей схемой дополнительно увеличивается на количество п одновременно работающих зубцов и рассчитывается по формуле:где п - количество зубцов.
По данной схеме нарезается резьба за один оборот заготовки, когда длина ее не превышает длины гребенчатой части пластины. Такая схема хорошо зарекомендовала себя при обработке коротких резьб. Если длина нарезаемой резьбы превышает вышеуказанную длину пластины, то нарезание происходит поочередно. Сначала нарезается резьба на длине режущей части пластины, а затем инструмент перемещается на соответствующую длину кратной шагу
Определение сил резания при обработке внутренних резьб инструментом с планетарным движением
Для расчета мгновенных составляющих сил резания Ру; и PZi, действующих на зуб фрезы в процессе планетарного резьбофрезерования рассматриваются силовые параметры, находящиеся в плоскости, перпендикулярной к оси режущего инструмента. В данной плоскости выбираются две системы координат OXY и OX Y с центром начала координат в точке О, расположенной на вершине зуба.
Система координат OXY квазинеподвижна и перемещается по мере вращения зуба фрезы параллельно самой себе. В ней располагается сила Pv, совпадающая с осью ОХ и сила Рн, совпадающая с осью OY.
Система координат OX Y вращается относительно точки О в квазиподвижной системе, где образуются радиальная сила Ру, совпадающая с осью ОХ и окружная сила Pz, совпадающая с осью OY (рис. 3.1).где значение результирующей силы PR будет определяться из выражения:Угол \i наодится между направлением силы Pv и окружной силы Pz, который определяется из соотношения:где \/i - угол поворота точки приложения результирующей силы PR, который совпадает с углом контакта зуба фрезы с деталью и углом поворота системы координат OX Y в системе OXY.Угол л находится как arctg отношения значений сил Ру, Рн по формуле:"н
Знак при г\ определяется направлением сил в зависимости от схемы фрезерования.Подставляя в выражение значение силы PR и угла ц в формулы (3.8, 3.9) с учетом построенных схем, расчет мгновенных сил PZi и Руі при планетарном резьбофрезеровании внутренней резьбы от измеряемых сил Ру;, РНІ будет производиться по формулам:для попутного резьбофрезерованиядля встречного резьбофрезерования
Полученные выражения будут считаться справедливыми при допустимом условии, что угол наклона режущей кромки А,=0, а точка приложения результирующей силы PR расположена на вершине резьбового профиля режущей кромки.
Для расчета мгновенных составляющих сил резания PZi и Pyi, действующих на зуб фрезы в процессе радиального врезания, используется вышеизложенная методика расчета с учетом построенной схемы для данного процесса (рис. 3.2).
Анализ данной схемы показывает, что в процессе врезания на длине контакта зуба фрезы с деталью режущая кромка проходит три участка. На угле поворота \/п расположение сил Pv, Рн в системе координат OXY и сил Pz, Ру всистем координат OX Y соответствуют схеме расположению сил при попутном резьбофрезеровании. При \/п=М/в=0 силы Pz и Ру совпадают с силами Pv и Рн. На угле поворота \j/B расположение сил Pv, Рн в системе координат OXY и Pz, Ру в системе координат OXY соответствуют схеме расположения сил при встречном резьбофрезеровании.
Таким образом, для расчета мгновенных составляющих сил резания при радиальном врезании получим выражения:для участка с углом поворота \/п Рн,Рл,
Таким образом, разработанная методика расчета сил Pzi и Pyj в точках угла контакта зуба фрезы с деталью с достаточной точностью и объективностью позволяет исследовать составляющие силы резания при планетарном резьбофрезеровании внутренней резьбы с попутной, встречной подачей и при радиальном врезании.
Для проведения экспериментальных исследований был разработан метод имитации процесса планетарного резьбофрезерования внутренней резьбы на горизонтально-фрезерном станке, где деталь закреплялась в динамометре, который устанавливался на столе станка. Инструмент закреплялся в шпинделе станка с помощью цангового патрона. В данном разделе ниже представлена схема и описание предлагаемого метода.
В соответствии с этим рассмотрим кинематическую схему резания планетарного резьбофрезерования внутренней резьбы (рис. 3.3).
Анализ кинематики процесса резания, рассмотренный в главе 2, показал, что основной составляющей, влияющей на силу резания, является величина площади срезаемого слоя на дуге А В с углом контакта щ. При одной и той же глубине резания t изменение величины площади заштрихованного участка на схеме зависит от круговой подачи на зуб Sz, радиуса фрезы Щр и радиуса отверстия
Котв Таким образом, если данный участок срезаемого слоя развернуть на плоскость с глубиной резания t =t, при условии равенства дуг А В=АИВ , то толщина срезаемого слоя a Zmax=azmax.При данной схеме моделирования процесса круговая подача Dr4 заменяется на горизонтальную подачу стола Dsl. Осевая подача, зависящая от шага нарезаемой резьбы, обеспечивается подачей Dsi под углом со к оси инструмента, где со — угол подъема нарезаемой резьбы.
Реализация данных условий моделирования процесса обеспечивается изменением радиуса фрезы R p. Определение радиуса фрезы для моделирования процесса из условия L=L будет рассчитываться из следующих зависимостей: где ИфР - радиус резьбовой фрезы; R p - радиус фрезы-модели; ух - угол поворота зуба фрезы, определяемый по формуле (2.2); \\f\ — угол поворота зуба фрезы-модели, определяемый по формуле:где t - глубина фрезерования.
В результате, выполняя условие моделирования, рассчитывается радиус фрезы-модели для экспериментальных исследований. В экспериментальной установке резьбовая фреза закрепляется в специальную оправку 1, у которой ось установочного отверстия смещена в радиальном направлении на соответствующую расчетную величину ия=К/фр-КфР, удовлетворяющей условиям эксперимента (рис. 3.4).
Таким способом возможно изменять параметры траектории вращения режущей кромки относительно оси шпинделя.
При изменении условий эксперимента соответственно изменяется расчетное смещение UR ОСИ посадочного отверстия под фрезу. В результате на фрезерном станке создаются аналогичные условия: та же кинематика резания, что и в процессе планетарного резьбофрезерования, тот же прерывистый процесс резания с тем же циклом, та же траектория относительного движения, та же длина пути резания единичного реза. Режимы и условия резания: скорость, подача на зуб, глубина резания назначаются такие же, как и при фактическом резьбофрезеровании.
Способ планетарного резьбофрезерования внутренней резьбы резьбовой фрезой с передней направляющей
Для расчета мгновенных составляющих сил резания Ру; и PZi, действующих на зуб фрезы в процессе планетарного резьбофрезерования рассматриваются силовые параметры, находящиеся в плоскости, перпендикулярной к оси режущего инструмента. В данной плоскости выбираются две системы координат OXY и OX Y с центром начала координат в точке О, расположенной на вершине зуба.
Система координат OXY квазинеподвижна и перемещается по мере вращения зуба фрезы параллельно самой себе. В ней располагается сила Pv, совпадающая с осью ОХ и сила Рн, совпадающая с осью OY.
Система координат OX Y вращается относительно точки О в квазиподвижной системе, где образуются радиальная сила Ру, совпадающая с осью ОХ и окружная сила Pz, совпадающая с осью OY (рис. 3.1).где значение результирующей силы PR будет определяться из выражения:
Угол \i находится между направлением силы Pv и окружной силы Pz, который определяется из соотношения:где \/i - угол поворота точки приложения результирующей силы PR, который совпадает с углом контакта зуба фрезы с деталью и углом поворота системы координат OX Y в системе OXY.Угол л находится как arctg отношения значений сил Ру, Рн по формуле:"нЗнак при г\ определяется направлением сил в зависимости от схемы фрезерования.
Подставляя в выражение значение силы PR и угла ц в формулы (3.8, 3.9) с учетом построенных схем, расчет мгновенных сил PZi и Руі при планетарном резьбофрезеровании внутренней резьбы от измеряемых сил Ру;, РНІ будет производиться по формулам:для попутного резьбофрезерованиядля встречного резьбофрезерования
Полученные выражения будут считаться справедливыми при допустимом условии, что угол наклона режущей кромки А,=0, а точка приложения результирующей силы PR расположена на вершине резьбового профиля режущей кромки.
Для расчета мгновенных составляющих сил резания PZi и Pyi, действующих на зуб фрезы в процессе радиального врезания, используется вышеизложенная методика расчета с учетом построенной схемы для данного процесса (рис. 3.2).
Анализ данной схемы показывает, что в процессе врезания на длине контакта зуба фрезы с деталью режущая кромка проходит три участка. На угле поворота \/п расположение сил Pv, Рн в системе координат OXY и сил Pz, Ру всистем координат OX Y соответствуют схеме расположению сил при попутном резьбофрезеровании. При \/п=М/в=0 силы Pz и Ру совпадают с силами Pv и Рн. На угле поворота \j/B расположение сил Pv, Рн в системе координат OXY и Pz, Ру в системе координат OXY соответствуют схеме расположения сил при встречном резьбофрезеровании.Таким образом, для расчета мгновенных составляющих сил резания при радиальном врезании получим выражения:Рл,
Таким образом, разработанная методика расчета сил Pzi и Pyj в точках угла контакта зуба фрезы с деталью с достаточной точностью и объективностью позволяет исследовать составляющие силы резания при планетарном резьбофрезеровании внутренней резьбы с попутной, встречной подачей и при радиальном врезании.
Для проведения экспериментальных исследований был разработан метод имитации процесса планетарного резьбофрезерования внутренней резьбы на горизонтально-фрезерном станке, где деталь закреплялась в динамометре, который устанавливался на столе станка. Инструмент закреплялся в шпинделе станка с помощью цангового патрона. В данном разделе ниже представлена схема и описание предлагаемого метода.
В соответствии с этим рассмотрим кинематическую схему резания планетарного резьбофрезерования внутренней резьбы (рис. 3.3). Анализ кинематики процесса резания, рассмотренный в главе 2, показал, что основной составляющей, влияющей на силу резания, является величина площади срезаемого слоя на дуге А В с углом контакта щ. При одной и той же глубине резания t изменение величины площади заштрихованного участка на схеме зависит от круговой подачи на зуб Sz, радиуса фрезы Щр и радиуса отверстия Котв Таким образом, если данный участок срезаемого слоя развернуть на плоскость с глубиной резания t =t, при условии равенства дуг А В=АИВ , то толщина срезаемого слоя a Zmax=azmax. При данной схеме моделирования процесса круговая подача Dr4 заменяется на горизонтальную подачу стола Dsl. Осевая подача, зависящая от шага нарезаемой резьбы, обеспечивается подачей Dsi под углом со к оси инструмента, где со — угол подъема нарезаемой резьбы. Реализация данных условий моделирования процесса обеспечивается изменением радиуса фрезы R p. Определение радиуса фрезы для моделирования процесса из условия L=L будет рассчитываться из следующих зависимостей: где ИфР - радиус резьбовой фрезы; R p - радиус фрезы-модели; ух - угол поворота зуба фрезы, определяемый по формуле (2.2); \\f\ — угол поворота зуба фрезы-модели, определяемый по формуле: где t - глубина фрезерования. В результате, выполняя условие моделирования, рассчитывается радиус фрезы-модели для экспериментальных исследований. В экспериментальной установке резьбовая фреза закрепляется в специальную оправку 1, у которой ось установочного отверстия смещена в радиальном направлении на соответствующую расчетную величину ия=К/фр-КфР, удовлетворяющей условиям эксперимента (рис. 3.4). Таким способом возможно изменять параметры траектории вращения режущей кромки относительно оси шпинделя. При изменении условий эксперимента соответственно изменяется расчетное смещение UR ОСИ посадочного отверстия под фрезу. В результате на фрезерном станке создаются аналогичные условия: та же кинематика резания, что и в процессе планетарного резьбофрезерования, тот же прерывистый процесс резания с тем же циклом, та же траектория относительного движения, та же длина пути резания единичного реза. Режимы и условия резания: скорость, подача на зуб, глубина резания назначаются такие же, как и при фактическом резьбофрезеровании. Экспериментальные исследования силовых зависимостей при планетарном резьбофрезеровании и радиальном врезании проводятся с использованием образцов, изготовленных в виде брусков из маркированного материала в состоянии поставки стали 40ХФА ГОСТ 4543-71 (НВ=241, ав=880 МПа). На рис. 3.5 изображена схема резьбофрезерования. Для моделирования процесса обрабатываемая деталь 1 зажимается с помощью столика 2 закрепленного на универсальном динамометре УДМ-600 3, установленного на столе фрезерного станка мод. 6Н82. Модель-фреза 5 крепится в шпинделе станка. На рис. 3.6 изображена схема радиального врезания. Для моделирования процесса радиального врезания деталь устанавливается также, как и в предыдущем случае, с той лишь разницей, что в ней предварительно профрезерована канавка с радиусом окружности равным радиусу окружности под обрабатываемую резьбу. Резьбовая фреза 4 закрепляется в шпинделе станка и устанавливается таким образом, чтобы ее ось совпадала с вертикальной осью окружности радиусного паза в детали. Регистрация составляющих сил резания Pv, Рн по рассмотренным схемам производится по сигналу от динамометра 3, поступающему на тензометрическую станцию ТА-5 6, а с нее через приборный щиток 7 на самописец Н338 8. Результаты экспериментов регистрировались на осциллографической бумаге реестровый № 4023, на которой нанесена миллиметровая сетка. В процессе экспериментов при изменении условий резьбофрезерования производилась тарировка с целью перевода показаний осциллограмм сил Pv, Рн в миллиметрах в физическую единицу измерения силы - Н. Тарировка средств измерения силовых параметров проводилась путем нагружения по координатам векторов сил образцовым динамометром 3-го разряда ДОСМ-3-1 [89]. Наложение осциллограмм записанных составляющих сил Pv, Рн осуществлялось с помощью соответствующих полученных длин контакта, выраженных в миллиметрах на ленте. Для перевода одного миллиметра или одной клеточки на ленте в градусы угла контакта использовалась формула, полученная из соотношения частоты вращения инструмента п мин" к скорости перемещения записывающей ленты т мм/сек: 1кл=(6п/т) (3.20) С помощью компьютерной обработки для предварительной оценки, а также для дальнейшего расчета составляющих сил резания Pz, PY, были получены осциллограммы (рис. 3.7), где было зафиксировано, что разница между расчетным углом \\f\ и полученным углом щ при записи находится в пределах 1-2 для резьбофрезерования и 2-4 при радиальном врезании, что удовлетворяет условиям эксперимента.
