Содержание к диссертации
Введение
1. Состояние вопроса. Цель и задачи исследования 8
1.1. Применение многофункциональных станков с ЧПУ для выполнения высокоэффективных технологических процессов 8
1.2. Этапы достижения требуемой точности при изготовлении деталей на станках с ЧПУ .18
1.3. Задачи повышения эффективности контурной обработки деталей на станках с ЧПУ. Цель и задачи исследования .28
Глава 2. Технологические задачи достижения точности обработки деталей сложной геометрии при контурном фрезеровании .34
2.1. Выявление состава технологических переходов и последовательности их выполнения 34
2.2. Технологические особенности контурного фрезерования при обработке деталей сложной геометрии 41
2.3. Задание размеров статической настройки при контурном фрезеровании 47
2.4. Исследование особенностей формирования размера динамической настройки при контурном фрезеровании .52
2.5. Выводы 63
Глава 3. Достижение требуемой геометрии контура путем доработка углов сопряжения смежных поверхностей .66
3.1. Обеспечение геометрической точности контурных поверхностей на этапе программирования траекторий .57
3.2. Доработка углов сопряжения с использованием цикла маятникового контурного фрезерования 82
3.3. Доработка углов с использованием цикла многопроходного контурного фрезерования 92
3.4. Использование подпрограмм зеркального отображения и поворота для доработка однотипных углов сопряжения 98
3.5. Выводы 102
Глава 4. Технологические методы управления точностью и производительностью при обработке контурных поверхностей 104
4.1. Достижение геометрической точности контура при гидроабразивной резке материалов 104
4.2. Управление точностью формообразования реза при гидроабразивной контурной обработке
4.3. Повышение точности обработки сложно-контурных поверхностей путем коррекция статической настройки в исходном положении .123
4.4. Обеспечение точности контурного фрезерования путем управления размерами статической и динамической настройки 136
4.5. Выводы 150
Заключение и общие выводы .153
Список литературы .156
- Этапы достижения требуемой точности при изготовлении деталей на станках с ЧПУ
- Технологические особенности контурного фрезерования при обработке деталей сложной геометрии
- Доработка углов сопряжения с использованием цикла маятникового контурного фрезерования
- Управление точностью формообразования реза при гидроабразивной контурной обработке
Этапы достижения требуемой точности при изготовлении деталей на станках с ЧПУ
Торцом концевых фрез осуществляется фрезерование плоских фасонных поверхностей, шпоночных пазов, канавок и доработка углов сопряжения. Концевыми фрезами со сферическим торцом выполняется обработка объемных сложно-профильных поверхностей, а концевые резьбовые фрезы применяют для получения на детали внутренних резьб.
Эффективным методом предварительной обработки отверстий является фрезерование с винтовой интерполяцией. Этот метод предварительной обработки позволяет выполнять врезание в сплошной материал и эффективно обрабатывать отверстия больших диаметров по черной корке. Н а рис. 1.3 показана схема доработки углов методом плунжерного фрезерования. Этот метод применяется для удаления припуска, оставшегося а б в узких углах и карманах после съема основного материала концевой фрезой большого диаметра. Рис. 1.3 Схема доработки углов методом плунжерного фрезерования: а - путем четырех заглублений фрезой 12,7мм; б - путем заглублений двумя фрезами 20 мм и 12,7 мм.
Удаление оставшегося припуска осуществляется концевыми фрезами меньшего диаметра путем их заглубления в осевом направлении на заданную величину. Последнее заглубление выполняется фрезой, диаметр которой 12 соответствует окончательному радиусу скругления R = 6 мм. Анализ показывает, что основным недостатком этого метода доработки углов является сравнительно низкая производительность.
Фрезерование поверхностей тел вращения (см.рис. 1.2 ж) выполняется для обработки деталей типа эксцентрик, для обработки контурных поверхностей на коленвалах и распредвалах, а также для выборки металла в карманах на поверхностях деталей вращения. Профиль обрабатываемой поверхности достигается за счет синхронизации поворота заготовки в шпинделе и перемещения фрезы по оси X. Для получения профильной поверхности на торце вращающейся заготовки ось фрезы разворачивают параллельно оси шпинделя.
Метод фрезерования поверхностей вращения обеспечивает скорость съема материала больше, чем при точении, а достигаемая точность размеров и качество поверхности может даже быть выше [10,22].
Таким образом, основным результатом анализа методов обработки, выполняемых концевыми фрезами на многофункциональных обрабатывающих центрах токарно-фрезерного типа, является установление возможности эффективной обработки геометрически сложных поверхностей, профиль которых можно получить только при согласовании поворота заготовки и перемещении инструмента. Помимо этого, на таки х многоэлементных деталях требуется также обработка многочисленных мелких и резьбовых отверстий, расположенных на поверхностях вращения.
К точности рассмотренных технологических переходов, выполняемых концевыми фрезами, предъявляют повышенные требования. Так, например, точность размеров, получаемых контурным фрезерованием, составляет 0,05…0,2 мм, погрешность геометрической формы в пределах 0,3…0,5 от допуска на линейный размер, шероховатость поверхности Ra = 1,1...1,6 мкм. Точность диаметральных размеров получаемых фрезерованием главных отверстий обеспечивается по квалитетам IT6…IT 7, а погрешность их геометрической формы не должна превышать 0.25...0.4 от допуска на диаметральный размер. Отклонения от перпендикулярности торцов к осям отверстий не более 0.01...0.05 мм на 50 мм длины радиуса.
Процесс программирования обработки корпусных деталей сложной формы на токарно-фрезерных центрах является трудоемким. Для эффективного использования таких станков при современном инструменте и новых подходах в стратегии обработки необходимо применять САМ системы. Для эффективной использования возможностей станка изготовители закладывают в стойку ЧПУ свою САМ-систему и оснащают ее различными внутренними циклами, определяемых соответствующей G функцией. Такие циклы существенно упрощают программирование и позволяют выполнять обработку по предлагаемым стандартным подпрограммам (шаблонам). Такая САМ - система является специализированной, т.к. она ориентирована на разработку управляющей программы (УП) для конкретного многофункционального станка. Наибольшие сложности представляет структурная организация программирования объемной обработки, выполняемой путем фрезеровании концевыми фрезами (см. рис.1.4). Решение этой задачи дано в работе [55] на основе применения сплайновой интерполяции с использованием двух вложенных подпрограмм. Первая подпрограмма обеспечивает программирование направляющей, представленной сплайновой кривой 1,
Технологические особенности контурного фрезерования при обработке деталей сложной геометрии
Для объемного фрезерования сложно-профильных повер хностей применяют концевые фрезы с полусферой на конце, определяемой радиусом rИ . В результате при расстоянии между двумя смежными строками DS , которое называется подача на строку, на обработанной поверхности формируется ребристость DОР . Если известна допустимая величина оребрения DОР (допуск на оребрение), то предельную подачу на строку DS можно определить по формуле: д
Последовательность выполнения фрезерных технологических переходов с использованием соответствующих фрез, в общем случае, определяется геометрией изготавливаемой детали и ее заготовки. Траектория перемещения фрезы формируется как перемещение ее центра по выявленным опорным точкам, начиная от точки врезания до выхода инструмента. При контурном фрезеровании концевой фрезой, ее траектория формируется как перемещение ее центра по эквидистанте, расположенной на расстоянии радиуса фрезы от создаваемого контура детали. Подвод и отвод инструмента необходимо осуществлять на быстром ходу по коротким безопасным траекториям, обеспечивающим ввод фрезы по касательной к обрабатываемой поверхности. При этом на безопасном расстоянии, равном 3…5 мм от поверхности заготовки, необходимо осуществить переключение с подачи быстрого подвода на рабочую подачу.
При разработки траектории нельзя допускать остановку фрезы или резкого изменение подачи в процессе фрезерования, когда инструмент соприкасается с обрабатываемой поверхностью. Не соблюдение этого приводит к образованию «зарезов» на обработанной поверхности.
Для фрезерования контура праворежущей фрезой с попутной подачей, обход наружного контура следует выполнять по часовой стрелке, а обход внешнего контура против часовой стрелке. Обработку заготовки по черной поверхности, имеющей повышенную твердость, рекомендуется выполнять встречным фрезерованием, что повышает стойкость инструмента.
Исследования показывают, что требуемая точность деталей средних размеров, обрабатываемых на контурно-фрезерных станках с ЧПУ, составляет ±0,4 ...0,2 мм. Однако требуемая точность при обработке деталей в один проход часто не выдерживаются. Хотя следящий привод, применяемый па фрезерных станках с ЧПУ, обеспечивает точность перемещения стола по двум координатам X, Y в пределах ±0,02 мм. Это свидетельствует о том, что наряду с погрешностями статической настройки, обусловленными погрешностью привода, на точность обработки доминирующее влияние оказывает погрешность динамической настройки станка. При обычном контурном фрезеровании для более высокой точности обработку осуществляют в несколько проходов, используя при этом значительно более низкие режимы резания. Однако все это снижает эффективность применения дорогостоящих станков с ЧПУ.
Для выполнения обработки на станках с ЧПУ необходимо точно определить траекторию относительного перемещения режущего инструмента. При расчете и программировании траектории следует считать, что деталь остается условно неподвижной, а инструмент двигается относительно детали в области координатной системы детали. Т.о. программируемая траектория разрабатывается в системе координат детали ХДУД2Д, началом отсчета которой является ноль детали Д = 0.
В общем случае система координат детали строится на ее технологических базах, по которым заготовка базируется на станке, и от которых в результате обработки получают требуемые линейные и угловые размеры детали. Однако в ряде случаев, с целью упрощения расчета и программирования траектории перемещения инструмента, в качестве системы координат детали выбирают другую более удобную систему координат. Такую систему строят на плоскостях симметрии детали или на линиях пересечения ее поверхностей, от которых программируемые размеры имеют одинаковый знак. Эту систему обычно получают путем параллельного смешения координатной системы технологических баз, а ее началом отсчета называется программируемая нулевая точка, положение которой рассчитывают путем смещения ноля детали по соответствующим координатам.
Для определения траектории относительного перемещения режущего инструмента необходимо описать геометрию детали (геометрию обрабатываемой поверхности) в принятой системе координат ХДУДZД. С этой целью на контуре обрабатываемой поверхности выявляют характерные опорные точки Рi , которые фиксируют места сопряжения различных линий - вершины углов, точки перегиба, центры Сi окружностей [44, 48]. На рис.2.6 представлена деталь типа кулачок, на котором показаны опорные точки его профиля Р1, Р2,……Р9, в том числе и центры окружностей С1, С2, С3, С4, дуги которых на отдельных участках определяют профиль кулачка.
Доработка углов сопряжения с использованием цикла маятникового контурного фрезерования
Таким образом, согласно предложенному циклу, траекторию перемещения центра фрезы (эквидистанту) на каждом проходе определяет дуга, центр которой располагается на биссектрисе угла. В результате происходит послойная выборка металла с переменной глубиной резания t, максимальная величина которой не превышает заданного значения tmax tз .
По окончанию подпрограммы, обеспечивающей доработку одного угла, инструмент на быстрой подаче переводится в исходную точку для доработки следующего угла. Если на детали имеет место симметричное расположение одинаковых углов, расположенных в четырех разных секторах, то для их доработки представляется возможным применение той же подпрограммы с зеркальным отображением значений численных параметров. Это достигается путем применения специальной подпрограммы, реализуемой с использованием двух подготовительных функций G37 и G38 (см. рис.3.18).
Важным технологическим преимуществом этого цикла является отсутствие холостых перемещений, что обеспечивает повышение производительности обработки за счет уменьшения машинного времени. При этом на каждом проходе имеет место практически одинаковая глубина резания, что позволяет стабилизировать упругие перемещения на замыкающем звене и повысить точность обработки. Далее решается задача установление связей между параметрами задаваемой глубины фрезерования t , значениями координат центров 0i (Xi, Yi), 0i+1(Xi+1, Yi+1), которые расположены на биссектрисе угла, и изменением координат точек сопряжения по оси X (X3 X6…X10) и по оси Y (Y 4 Y 5… Y 9). С этой целью сделаем построение, представленное на рис.3.3. Рис. 3.12. Схемы построения к установлению связей между задаваемой глубиной фрезерования, диаметрами фрез, радиусами и координатами центров дуг: 1,2,3,4,5,6 - точки эквидистанты, определяющие положение центра фрезы Согласно построению на рис. 3.12 а глубина фрезерования t на первом проходе, выполняемом фрезой меньшего радиуса rф2 , определяется как расстояние по биссектрисе угла между точками М и N: t = MN. Расстояние MN можно определить, как разность двух отрезков 01М и 01N t = MN =01М - 01N. (3.9) Отрезок 01N представляет собой радиус фрезы большого диаметра rф1, используемой при предварительной обработке контура 01N = rф1. В свою очередь, расстояние 01М определяется как сумма трех отрезков: 01М = rф2 + Rт2 + 0102 , (3.10) где rф2 - радиус фрезы меньшего диаметра; Rт2 - радиус траектории перемещения центра фрезы по программируемой дуге; 0102 – смещение по биссектрисе центра дуги относительно центра первой фрезы. Смещение 0102 по биссектрисе угла определяется выражением: О1О2 =v 2ч2 + 72 (3-И) где Ах2, A Y2 - приращение координат точки 01 относительно точки Ог. С учетом (3.2) и (3.3) выражение (3.1) принимает вид: t = (Гф2 + Rт2 +V 2ч2 + 72 ) " Гф1 (3-12) При смещении центра по биссектрисе угла имеет место равенство Ах2 = АУ2, при котором выражение (3.11) можно записать: О1О2 =-х/2-А2ч2 =Ах2 72 . (3.13) С учетом (3.13) выражение (3.12) окончательно принимает вид: t = (Гф2 + Rт2 + Ах2 л/2 ) - гф1 (3-14) Выражение (3.14) устанавливает искомую связь между параметрами предложенного цикла - глубиной фрезерования t, задаваемой на проход, радиальными размерами применяемых фрез Гфі, Гф2 и программируемой величиной смещения центра дуги Ог.
Зная радиусы фрез Гфі, Гф2 и задав требуемую глубину фрезерования на проход t по формуле (3.15), вытекающей из выражения (3.14), можно рассчитать относительные координаты центра Ог программируемой дуги: Dx2 = DY2 =-/=(t + Гфі- Гф2 - Rт2) . (3-15)
Это означает, что в рассматриваемом цикле глубина фрезерования t на проход соответствует расстоянию между центрами двух смежных дуг. В результате согласно (3.20) получаем выражение, устанавливающее связь между задаваемой глубиной фрезерования t и координатами смещения центров программируемых дуг
Полученное выражение может быть использовано для расчета координат положения центров 0г, Оз, ... 0j различных дуг. Оно позволяет программировать предложенную схему доработки углов с переменной глубиной фрезерования на выполняемых проходах. Так, например, если на первых проходах, с целью повышения производительности, глубину фрезерования целесообразно увеличить t , то на последнем чистовом проходе, с целью повышения точности, глубину фрезерования следует t уменьшать.
Рассмотренную выше подпрограмму доработки углов сопряжения можно реализовать с использованием предлагаемого стандартного цикла маятникового фрезерования секторов угла. Цикл многопроходного фрезерования секторов угла определяется функцией G81 и имеет следующий формат записи: определяющий начало задания чистового контура детали; Q –кадр конца чистового контура детали; U –размер, оставляемый на врезание; W – припуск, предназначенный для чистового прохода; D – глубина резания на проход; F – продольная подача на предварительных проходах.
Управление точностью формообразования реза при гидроабразивной контурной обработке
Функция компенсации положения инструмента является модальной, она может быть отменена или изменена вызовом другой функции компенсации.
В исходном положении коррекцию статической настройки следует выполнять перед обработкой первой детали очередной партии, т.е. непосредственно при перенастройке станка. Как правило, на этом этапе погрешность статической настройки имеет наибольшее значение, которое необходимо автоматически компенсировать. Коррекцию статической настройки можно также автоматически выполнять и непосредственно в процессе изготовления очередной партии деталей, т.е. после выполнения одного или нескольких циклов обработки. В результате повышается точность изготовления деталей благодаря уменьшения действия систематически факторов.
Изложенный способ коррекции статической настройки предусматривает контроль точности фактического положения спутника с заготовкой и инструмента по отношению к началу отсчета. Информацию о размерном износе режущего инструмента и его положении получают путем применения контрольно-измерительных систем, использующих электроконтактные, индуктивные и фотоэлектрические датчики. Однако более гибкими являются системы, которые работают на принципе касания измерительного наконечника режущей кромкой инструмента. Это позволяет фиксировать отклонения режущего инструмента (рис. 4.14).
Контроль положения рабочи х поверхнос тей инструмента в трех координатных направлениях осуществляют стационарные трехкоординатные измерительные головки. Применение измерительной головки позволяет определить отклонения вершины инструмента в трех направлениях и его целостность. При этом представляется возможным также измерить параметры вектора и , который характеризующего отклонения инструмента относительно стола станка, обусловленные совместным влиянием погрешности установки инструмента в шпиндель, его размерным износом и температурными деформациями звеньев системы.
Схемы измерения отклонений методом касания: а - режущего инструмента; б – оправки, установленной в шпиндель станка
Положение концевой фрезы в шпинделе станка можно моделировать путем установки в шпиндель измерительной оправки (рис.4.14 б ). Для контроля пространственны х линейных и угловых отклонений на ин -струментальной державке необходимо предусматривать измерительные базы - два пояска, концентричных с базовым конусом. Отклонения вершины инструмента измеряются автоматически по двум точкам Z, X, а пространственные отклонения оправки по пяти точкам Dx1 , Dx2 , Dy1, Dy2 , Dz5 (рис.4.14). Последовательность относительных перемещений при выполнении измерений задается как подпрограмма в цикле работы станка.
На основании данных измерения ( Dx1 , Dx2 , Dy1, Dy2 , Dz5 ) отклонения относительного положения концевой фрезы можно рассчитать [24]:
Таким образом, создание системы автоматического управления точностью установки заготовок и спутников требуется в тех случаях, когда отклонения, возникающие на этапе установки, не позволяют получить требуемую точность изготавливаемых деталей. В основе работы таких систем предусматривается измерение параметров вектора погрешности установки у и внесения требуемой коррекции в заданную управляющую программу для устранения этих отклонений.
Компенсация отклонений положения заготовки осуществляется командами подготовительных функций - G138, G139. По команде G138 происходит рассоединение координатной систему управляющей программы с координатной системой станка М, что позволяет адаптировать координатную систему управляющей программы к любому новому положению заготовки. В результате все запрограммированные перемещения, включая обработку контурной поверхности, будут реализованы в новой смещенной и повернутой координатной системы заготовки X Y (см. рис. 4.15).
Угол поворота координатной системы, задаваемый под адресом R не должен превышать 360 градусов. Положительный поворот R против часовой стрелки, отрицательный «- R» по часовой стрелке. По окончанию выполнение заданных кадров программы в отдельном кадре дается команда G139 на отмену коррекции положения заготовки.
Оценка отклонений в положении спутника и заготовки на рабочей позиции многоцелевого станка может быть выполнена путем использовании автоматических систем, создаваемых на основе применения измерительных головок.
И змерительная головка (датчик касания) устанавливается на одну из позиций инструментального магазина и при необходимости контроля отклонений автоматически устанавливается в шпиндель станка. Процесс измерения выполняется по команде G75, согласно определенного цикла, заложенного в управляющей программе. После касания поверхности, фиксируемое датчиком контакта, происходит считывание показаний с датчиков положения следящего привода станка и расчет координат точки. Результаты измерительного цикла сохраняется в памяти микропроцессора. Для измерения шести составляющих вектора погрешности установки у (1.8) измерения в общем случае требуется выполнять в шести точках.
