Содержание к диссертации
Введение
1. Анализ состояния вопрос а 13
1.1. Характеристика современных, рельсов 13
1.2. Влияние механической обработки на прочностные характеристики старогодных рельсов 15
1.3. Способы механической обработки рельсов 16
1.3.1. Обработка поверхности катания головки на действующем пути 16
1.3.2. Ремонт рельсов в стационарных условиях 18
1.4. Анализ конструкции фрез для обработки головки рельсов 22
1.5. Постановка задачи исследования 26
1.6. Выводы и результаты 28
2. Математическая модель проектирования фасонных фрез, оснащенных смп для репрофилирования рельсов 29
2.1. Графы, как математическая модель проектирования и изготовления фасонных фрез, оснащенных СМП, для репрофилирования рельсов 29
2.1.1. Многопараметрическое отображение аффинного пространства 30
2.1.2. Граф расчета фасонных фрез, оснащенных СМП, для репрофилирования рельсов 31
2.2. Образующая исходной поверхности 34
2.3 Влияние схемы формообразования на шероховатость получаемой поверхности 37
2.4. Теоретические основы формирования поверхностей второго порядка имеющих выпуклый профиль 41
2.4.1 Фрезерование поверхностей, имеющих выпуклый профиль с малым радиусом кривизны 44
2.4.2. Методика проектирования гиперболических фрез, для репрофилирования рельсов 47
3.4.2. Методика назначения припуска под обработку профильной фрезой 51
2.4. Методика проектирования фрезы для предварительной обработки головки рельса 54
2.5. Формула режущего инструмента 57
2.6. Дискретное представление образующей 58
2,6.1. Расчет координат опорных точек участков профиля головки рельса 58
2.6.2 Расчет параметров дискретного представления образующей производящей поверхности фрезы 60
2.7. Поверхность, описываемая режущими кромками 60
2.8. Оснащение фрезы СМП 61
2.8.1. Расчет дискретного представления режущих кромок СМП 61
2.8.2. Расчет ориентации производящей линии фрезы относительно производящей поверхности 62
2.8.3. Расчет положения и ориентации СМП относительно производящей линии фрезы 63
2.8.4. Расчет параметров лезвий СМП 65
2.8.5. Распределение СМП по производящей поверхности фрезы 67
2.9. Расчета матрицы перехода M^it) для процесса фрезерования головки рельсов 7
2.10. Расчет величин скоростей исполняемых движений 73
2.11. Оценка режущих свойств фрезы 73
2.11.1. Размеры срезаемых слоев... 73
2.11.2. Расчет остаточных слоев 76
2.12. Выводы и результаты 78
3. Математическая модель конструирования и изготовления гиперболических фрез для репрофилирования рельсов 80
3.1. Граф конструкции гиперболической фрезы для репрофилирования рельсов , 80
3.1.1. Граф конструкции корпуса гиперболической фрезы для репрофилирования рельсов 81
3.2. Определение параметров корпуса гиперболической фрезы для токарной обработки 84
3.3. Расчет матрицы установки паза под СМП 84
3.4. Расчет матрицы установки отверстия под винт крепления СМП... 85
3.5. Расчет матрицы установки паза Мс А9 86
3.6. Расчет положения стружечной канавки 87
3.7. Расчет матриц установки технологических пазов 88
3.8. Расчет установки хвостовиков 89
3.8. Расчет установки шпоночных пазов 90
3.10. Математическая модель изготовления гиперболической фрезы для репрофилирования рельсов 91
3.11. Наладка приспособления 93
3.12 Выводы и результаты 95
4. Пример использования системы автоматизированного проектирования и изготовления гиперболических фрез для репрофилирования рельсов 96
4.1. Исходные данные для проектирования 97
4.2. Анализ влияния исходных данных на выходные параметры фрезы 98
4.3. Оценочные параметры модели 105
4.4. Анализ стойкости инструмента 113
4.5. Конструирование корпуса фрезы 114
4.6. Расчет параметров наладки приспособления при обработке элементов рабочей части корпуса фрезы на станке 2-го порядка 116
4.7. Выводы и результаты 117
Основные выводы и результаты 119
Список использованной литературы
- Влияние механической обработки на прочностные характеристики старогодных рельсов
- Многопараметрическое отображение аффинного пространства
- Граф конструкции корпуса гиперболической фрезы для репрофилирования рельсов
- Анализ влияния исходных данных на выходные параметры фрезы
Введение к работе
Актуальность работы. Рельсы в железнодорожном пути являются наиболее ответственным и дорогостоящим элементом, от состояния которого в первую очередь зависит надежное, бесперебойное и безопасное движение поездов. Новые рельсы, уложенные в путь с соблюдением всех требований технологии производства путевых работ, в процессе эксплуатации постепенно теряют свои служебные свойства. На поверхности катания головки рельсов образуется дефектный слой металла с измененной структурой и микротвердостью. Из-за больших контактных напряжений происходит пластическое оттеснеіше (смятие) металла от центра к нерабочей грани рельса, неравномерный износ и формируется поперечный профиль головки отличный от стандартного, на поверхности катания появляется и начинает интенсивно развиваться продольная волнистость. При этом рельсовая сталь в подошве и шейке рельса за весь срок службы остается практически не поврежденной.
Проблемой продления срока службы рельсов на возможно больший срок с обеспечением безопасности движения поездов, активно занимаются специалисты Северной Америки и Европы. В нашей стране этому вопросу посвящены работы ЯП. Мелентьева, А.Г. Суслова, В.А. Аксенова, В.Л. Порошина и др.
Одним из приоритетных направлений в развитии ресурсосберегающих технологий на железных дорогах Министерства транспорта является повторное использование отремонтированных железнодорожных рельсов. В настоящее время широко внедряется перспективный способ восстановления профиля рабочей поверхности головки рельсов фрезерованием, который позволяет не только повысить срок службы рельсов, но и обеспечить надежную и безопасную работу пути.
Стоимость отремонтированного рельса при фрезеровании в стационарных условиях, включая затраты на оборудование, персонал, инструмент и расходные материалы в несколько раз меньше стоимости новых рельсов. Причем по оценкам отечественных и зарубежных специалистов совершенствование режущего инструмента позволит значительно снизить общие затраты на обработку рельсов и тем самым повысить эффективность процесса репрофилирования.
При этом фрезерование применяется и для обработки головки рельсов на действующих путях фрезерно-шлифовальным поездом.
Повышения эффективности проектирования и изготовления режущего инструмента, можно достичь созданием систем автоматизированной конструкторско-технологической подготовки производства. Это позволит обеспечить совершенствование их конструкций, методик проектирования, технологий изготовления, достичь высокой эффективности принимаемых решений; реализовать разработанные методики в виде системы автоматизированного проектирования, коньтцуириванил и -изготовления (CAD, САМ, САЕ, PDM системы) ^^^4^1^^^^3 Для
репрофилирования головки рельсов на базе персональных компьютеров и станков с ЧПУ.
Вопросы автоматизированного проектирования инструмента рассмотрены в работах д.т.н. СИ. Лаптева, В. А. Гречишникова, Б.И. Ящерицина, А.Н. Борисова, И.А. Ординарцева, П.Р. Родина, СВ. Лукиной,СГ.Емельянова,к.т.н.Е.И. Яцун,СЯ. Хлудова,ЕВ.Серовой, СИ. Климакова, СА. Илюхина, М.А. Максимова, СВ. Лобановой, В.В. Куц, О.С. Сорокиной, А.А. Горохова и др.
Таким образом, создание высокоэффективной системы проектирования и изготовления фасонных сборных фрез для повышения эффективности процесса репрофилирования головки рельсов является на сегодняшний день актуальной задачей.
В данной работе на базе разработанной геометрической модели формирования профиля головки рельсов создана система автоматизированного проектирования, конструирования и изготовления гиперболических фрез, оснащенных сменными многогранными пластинами (СМП), для репрофилирования рельсов.
Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ в рамках ведомственной научной программы «Развитие научного потенциала высшей школы» проект «Повышение конкурентоспособности сборных фрез для восстановления профиля поверхности катания головки рельсов на основе системного моделирования процесса их проектирования» выполняемой в 2005 г.
Предмет исследования. Геометрическая модель формирования профиля головки рельсов гиперболическими фрезами, оснащенными СМП.
Объект исследования. Гиперболическая фреза, оснащенная СМП, для репрофилирования головки рельсов.
Цель работы. Повышение эффективности конструкторско-технологической подготовки производства гиперболических фрез для репрофилирования рельсов на основе системного моделирования процессов их проектирования, изготовления и работы.
Методы исследования. Построение геометрической модели основано
на базе фундаментальных положений теории проектирования режущих
инструментов, с использованием аппарата аналитической и
дифференциальной геометрии, векгорно-матричного анализа,
интерактивного поиска технических решений, методах математического и компьютерного программирования и средств компьютерной графики.
Автор защищает:
1. результаты - теоретических исследований формирования
вьтукльіх" поверхностей, образующая которых представляет
' "» ' і
-. -»»» > j
«і» Wf t.> «
І
собой кривую второго порядка, сборными фрезами с
прямолинейной образующей производящей поверхности;
2 геометрическую модель, методики и алгоритмы формирования
профиля головки рельсов гиперболическими фрезами,
оснащенными СМП;
3. результаты работы программного обеспечения по
проектированию, конструированию и изготовлению
гиперболических фрез, оснащенных СМП, для
репрофилирования головки рельсов;
4 результаты компьютерного моделирования процесса работы
гиперболических фрез, оснащенных СМП, для
репрофилирования головки рельсов.
Научная новизна работы заключается в:
разработке способов, методик и алгоритмов формирования выпуклых поверхностей, образующая которых представляет собой кривую второго порядка, фасонными сборными фрезами с прямолинейной образующей производящей поверхности, расположенной под углом X к оси фрезы;
развитии геометрической теории формирования поверхностей режущими инструментами для процесса репрофилирования рельсов гиперболическими фрезами, оснащенными СМП, которая учитывает трансформацию профиля образующей номинальной поверхности при установке фрезы на станке под углом относительно направления подачи;
выявлении вида функциональной зависимости размеров производящей поверхности фрезы (ширины В, максимального диаметра Апах) и Угла наклона главной режущей кромки СМП Л, от параметров установки фрезы на станке (угла поворота относительно направления подачи и угла поворота относительно оси симметрии рельса у/) и ее радиуса /.
Практическая ценность работы заключается в создании методик и программного обеспечения процесса проектирования, конструирования и изготовления гиперболических фрез, оснащенных СМП, представленных в виде:
алгоритмов и программ для математического синтеза конструкций гиперболических фрез, оснащенных СМП, для репрофилирования головки рельсов с использованием трехмерной модели;
алгоритмов и программ для численного моделирования работы и оценке результатов проектирования данных фрез по характеру изменения кинематических углов, параметров срезаемых слоев, высоты и среднего шага неровностей обрабатываемой поверхности;
практических рекомендаций по проектированию и технологической подготовке производства гиперболических фрез, оснащенных СМП, для обработки поверхностей деталей с выпуклым профилем, обеспечивающих сокращение сроков проектирования и снижение
трудоемкости конструкторско-технологической подготовки
производства. Результаты работы, представленные в виде методик, программного обеспечения и практических рекомендаций по проектированию гиперболических фрез, оснащенных СМП, для обработки поверхностей деталей с выпуклым профилем использованы на ОАО "Геомаш" (г. Щигры, Курской области), ЗАО "Станкостроительный завод" (г. Курск), используются в учебном процессе кафедры "Машиностроительные технологии и оборудоваїше" Курского государственного технического университета.
Достоверность полученных теоретических положений
подтверждается компьютерным моделированием процессов проектирования, конструирования и изготовления фасонных фрез, оснащенных СМП, для репрофилирования головки рельсов, а также моделированием процесса обработки рельсов.
Апробация работы.
Основные положения работы были доложены и обсуждены на, Международной научно-технической конференции «Технологические системы в машиностроении» (Тула, 2002), на 1-й Международной научно-технической конференции «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (Курск, 2003), на 2-й Международной научно-технической конференции «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (Курск, 2004), на 3-ей Международной научно-технической конференции «Современные инструментальные системы, информационные технологии и инновации» (Курск, 2005).
Публикации. По материалам проведенных исследований опубликовано 12 работ.
Структура и объём работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка использованных источников из 90 наименований и приложений. Работа содержит 189 страниц машинописного текста, 91 рисунок и 10 таблиц.
Влияние механической обработки на прочностные характеристики старогодных рельсов
Основным видом механической обработки для восстановления геометрического профиля на действующем пути является шлифование. Его различные виды широко используются во многих странах мира.
Шлифование рельсов производится, во-первых, для поддержания требуемого профиля головки рельсов, согласующегося с профилями колес [3], при этом зона контакта колеса и рельса сдвигается к середине головки, разгружая рабочую грань рельса. Кроме этого улучшается вписывание вагонов в кривые, снижаются контактные напряжения, уменьшается влияние и образование волнообразного износа рельсов. Во-вторых, рельсы шлифуют, избегая при этом неоправданных потерь металла, для достижения оптимальной интенсивности износа, при которой на поверхности катания не возникают дефекты контактно-усталостного происхождения.
Однако, для формирования заданного профиля и удаления дефектного слоя рельсошлифовальные поезда (РШП) (рис. 1.2) должны проделать до нескольких десятков проходов (в зависимости от вида шлифования, величины снимаемого слоя и скорости РШП) [2]. На рисунке 1.3 приведена шлифовальная тележка шлифовального цельнометаллического вагона пассажирского типа.
К этой группе относится так же иглофрезерование [4], особенностью которого является то, что при обработке происходит удаление дефектного слоя с поверхности головки рельсов при сохранении сформировавшегося поперечного профиля. Недостаток информации не позволяет судить о практических испытаниях данного способа.
В конце 90-х годов прошлого века на железных дорогах Германии была введена в эксплуатацию машина для фрезерования рельсов австрийской фирмы Linsinger (рис. 1.4), которая является новейшим методом обработки головки рельсов и альтернативой существующим методам. Головку рельса фрезеруют на глубину от 0,3 до 5 мм за один проход с рабочей скоростью 1,5 км/ч (рис. 1.5). При этом может быть выполнено любое перепрофилирование головки с высокой точностью соблюдения поперечного и продольного профилей. Благодаря соответствующей обработке достигается высокая чистота поверхности и одинаковая твердость по всей ее площади. По оценкам австрийских специалистов, дальнейшее совершенствование режущего инструмента позволит значительно снизить общие затраты на обработку рельсов, что вызывает растущий интерес со стороны фирм, занимающихся работами по текущему содержанию пути [5].
Преимущества рельсофрезерных поездов перед рельсошлифовальными заключаются в том, что затраты на режущий инструмент при фрезеровании меньше, чем при шлифовании. Фрезерование рабочей поверхности рельсов на действующем пути можно выполнить за один проход. Кроме того, можно обработать и места стрелочных переводов, что невозможно с помощью шлифовальных головок. Отсутствие абразивной пыли, возникающей при шлифовании, дает возможность рельсофрезерному поезду приводить в порядок пути в тоннелях.
В настоящее время Ульяновский завод тяжелых станков (УЗТС) в партнерстве с КБ "Комплекс-Центр" готовит предложения в части оснащения поездов по обработке рельсов фрезерными головками, где в качестве инструмента будут применены фасонные фрезы, оснащенные СМП [6].
В последнее время широко внедряется перспективный метод восстановления профиля головки рельса фрезерованием. В Западной Европе нашли применение как торцовое фрезерование (станки фирмы Geismar, Франция), так и дисковое фрезерование (станки фирмы Linsinger, Австрия). Дисковое фрезерование (рис. 1.8) появилось позднее, но оказалось более эффективным. По данным фирмы Linsinger стоимость отремонтированного рельса в Западной Европе, при фрезеровании в стационарных условиях,
включая затраты на оборудование, персонал, инструмент и расходные материалы составляет около 1 евро за метр [7].
На предприятиях Министерства транспорта России используются два типа фрезерных станков фирмы Geismar (рис. 1.9) и отечественный станок производства УЗТС модели РФС 6992 [8]. Наибольшее применение нашел станок модели РФС 6992 (рис. 1.10) [9], использующий аналогичный станку Linsinger принцип фрезерования профиля головки рельсов профильными фрезами. Обработка на нем ведется комплектом сборных фрез, оснащенных СМП. Вначале снимается наплыв со стороны нерабочей грани торцовой фрезой, а затем дисковой фрезой формируется заданный геометрический профиль.
В настоящее время с целью повышения стойкости СМП фрез, которые работают по поверхности рельса с повышенной твердостью, специалистами ВНИИЖТ планируется использование операции индукционного отжига наклепанного слоя (2...3 мм) без ухудшения структуры металла сердцевины головки объемнозакал енного рельса с использованием индукционно-нагревательного комплекса, установленного на входе рельса в рельсофрезерный стано к [10].
В случае отжига наклепанного слоя в головке рельсов нагрев осуществляется до 800 С с учетом повышения температуры первичной рекристаллизации при скоростном нагреве. Последующее фрезерование отожженного поверхностного слоя с пониженной твердостью будет проводиться сразу после отжига в едином непрерывно-последовательном технологическом цикле. При этом планируется разработка новой марки твердого сплава для пластин, работающих в условиях фрезерования нагретого слоя металла.
Многопараметрическое отображение аффинного пространства
Система проектирования, изготовления и эксплуатации режущего инструмента, оснащенного СМП (CAD/САМ система) рассматривает инструмент в системе его функционального назначения, определяя связь его отдельных элементов конструкции с производящими элементами, а те в свою очередь с параметрами формируемых поверхностей. Рассмотрев объекты системы, все элементы конструкции проектируемого инструмента, основное и вспомогательное оборудование с соответствующими инструментами для изготовления, использования, контроля, восстановления режущих свойств и т.д. проектируемого режущего инструмента, наложив на них связи, получим столь необходимую математическую модель проектирования, изготовления и эксплуатации режущего инструмента.
При этом возникает необходимость описания структуры и взаимосвязи системы. В работах [14,15] данную необходимость реализуют в виде графа, где объектам соответствуют узлы графа, а их связям - дуги графа. Связи рассматриваемой системы из N объектов характеризуются направлением -прямым или обратным, кинематикой - статичной или динамичной, детерминированной (устойчивой) или стохастичной (нарушаемой случайным образом), определением - задаются минимальным количеством (N-1) и различными способами, а остальные рассчитываются в количестве (N-1) .
Пусть имеются две системы координат (X/YJZI) и (A J Z?), a (х/у/Z/) есть координаты некоторой точки относительно (XiY}Zi). Тогда положение этой же точки относительно (X2Y2Z2) будет определяться отношением этих систем координат или связью (X/Y/Z/) с (X2Y2Z2), оформленной в виде матрицы ъуъл.ида \si ] І- і Л J /УІ222 2/ и niwtnj ЩБИ L ИИ Д lit} 1 0 0 0" "1 0 0 0 4X2\x,y,zbpxypy,pz)= 0 10 0 0 01 0 0 0 cos/?, -sin& sin )3, cos/Jj 0 x -y -z 1 0 0 0 1 cos/3y 0 -sin 0 cos/?2 БІПД 0 0" 0 10 0 -sin , cosy?2 0 0 sin/7 0 cos/Jy 0 0 0 .1 0 » 0 0 0 1 0 0 0 1 где x, у, z,- координаты начала второй системы координат относительно первой; РХ,РУ,Р:- углы последовательных поворотов второй системы координат вокруг собственных осей, углы считаются положительными, если поворот со стороны положительного направления оси происходит по часовой стрелке. Таким образом, преобразование координат точки запишется в матричном виде [x2y2zi 1]=[хіУі z1 l]Mt2s и будет называться координатным [14]. При этом легко осуществить обратные преобразования путем умножения координат на обратную матрицу
Граф расчета фасонных фрез, оснащенных СМП, для репрофилирования рельсов
Узловой задачей при проектировании сборных металлорежущих инструментов является координация баз крепления СМП на корпусе инструмента [14], обеспечивающая дискретное представление производящей поверхности инструмента массивом формообразующих точек режущих кромок СМП, при котором достигаются оптимальные условия формообразования.
Для решения этой задачи, касательно фасонных фрез, оснащенных СМП, для репрофилирования рельсов рассмотрим граф на рис. 2.1. Пусть на станке (система координат XuY Zu) установлен рельс (ХоУо о) с известной матрицей перехода XyYyZu — — XQYoZ0. Положение корпуса фрезы (XAYAZA) будет м фиксироваться относительно опорных баз станка X{jYvZy —— XAYAZA. Обработка гнезд под СМП выполняется на станке второго порядка (XyYyZy) установленном на нем приспособлении {XwYwZw) с известной матрицей начальной установки Myw, в фиксированной зоне обработки (XKYfcZK) положение которой задано матрицей МУК относительно станка второго порядка. На рис. 2.2 приведен граф установки производящих элементов фрезы для репрофилирования рельсов. Относительно системы координат детали, задана профильная плоскость (XFYFZf).
Каждая поверхность задается своим профилем, который определяется набором конструктивных параметров. Большинство профилей представляют собой различные сочетания ограниченного числа "типовых" кривых [14] (отрезок прямой, дуга окружности, отрезок архимедовой спирали и т.д.). Каждая кривая определяется своими параметрами и координатами опорных точек. Для задания профиля в каноническом виде используют его дискретное представление множеством точек с предварительно рассчитанными в каждой из них координатами, профильным углом, радиусом кривизны и длинной дуги профиля (рис. 2.3). [xoj y ij aoj» PQJ soj )J=xj где xaj, y - координаты у-й точки; a0j- - профильный угол; p0j- - радиус кривизны; 50j - длина дугиу -го участка профиля; J - число точек дискретного представления. Образующая может быть пространственной либо плоской кривой. Переход от пространственной к плоской (плоскость X000Zo) образующей профилю - позволяет учитывать расположение материала относительно профиля с помощью всего лишь одной скалярной функции - профильного угла сг0. Действительно, изменение направления отсчета длины дуги профиля So приводит к изменению профильного угла а0 и знака радиуса кривизны профиля pQ. Поэтому, введя определенное правило отсчета направления длины дуги профиля, с помощью каждой из этих функций можно отразить нахождение материала с одной из сторон профиля. Для этого условимся направлением обхода из начальной точки (и) в конечную точку (к) профиля при его рассмотрении из области отрицательных значений оси Z0 считать такое, при котором материал остается справа по ходу движения. В результате получим следующие правила отсчета (рис. 2.3): т0 - отсчитывается от оси Х0 по часовой стрелке со знаком плюс до вектора, касательного к профилю в рассматриваемой точке и совпадающего по направлению с направлением обхода профиля; pQ - положителен на выпуклых и отрицателен на вогнутых участках профиля.
В параметрическом виде образующую поверхности можно описать функцией: КW V, M rovmМмоМЩМ от { Р\\М Х { РХ)) с независимым параметром д {. Здесь в качестве функций образующей добавлены два неколлинеарных единичных вектора No{ px,...,(pN) и Л/о(# ,,...,# #) нормальных к образующей и их первые производные. Эти векторы могут нести дополнительную информацию как векторы нормали в точке образующей к поверхностям, в результате пересечения которых она получена. Важно отметить коллинеарность их векторного произведения и касательного к образующей вектора.
Вычисление функций образующих зависит от статуса параметра щ - является ли он свободным, т.е. назначается, или - связанным, т.е. рассчитывается. В обоих случаях целесообразно перейти к дискретному представлению обра зующей множеством у = 1, J точек, в каждой из которых рассчитаны значения функций для значений { р } .=г параметра щ. При этом расчет дискретного представления сопровождается переходом от параметра рх к длине дуги sb кривой и соответствующим ей функциям, считая sQ в дальнейшем независимым параметром кривой с тем, чтобы не использовать производные s0(p , s0 р .
Граф конструкции корпуса гиперболической фрезы для репрофилирования рельсов
Для выполнения j-vL операции на станке 2-го порядка (система координатXvYyZv) установлено приспособление {XWYWZW) с заданной матрицей перехода Mvw. В приспособлении закреплен корпус инструмента (XAYAZA) с заданной матрицей перехода MWA. Такой крепеж показан на графе наладки (рис. 3.15.) в виде первого этапа — начальной установки. Шесть степеней свободы (параметров наладки), за счет которых выполняется наладка для обработки к-то элемента конструкции, в общем случае могут быть произвольным образом распределены между станком (а1к,...,апк) и приспособлением (/7и,...,/7тА) в зависимости от их конструктивного оформления. Задачей наладки является отработка таких значений параметров наладки a]k,...,ank, filk,...,ftmk, при которых система координат X YA ZA к-го элемента конструкции совпадает с системой координат ХК YK ZK зоны обработки станка, фиксируемой заданной матрицей перехода Мук .
Положение системы координат зоны обработки относительно станка предполагает наиболее простое и эффективное выполнение операции обработки без дополнительных переналадок или усложнения кинематики выполняемых движений, где заранее определена управляющая программа обработки. Наладка выполняется в два этапа — наладка станка и наладка приспособления. При наладке станка отрабатываются значения его параметров наладки, которые заложены в структуре матрицы Mww.(aik,...yank), определяющей перевод приспособления с закрепленным в нем корпусом в новое положение, обозначенное штрихом. При наладке приспособления отрабатываются значения его параметров наладки, которые заложены в структуре матрицы МA.A,(j3u,..., ftmk), определяющей перевод корпуса в новое положение, обозначенное двумя штрихами. Для реализации обработки корпуса фрезы, в рамках сформулированной модели можно использовать 3-х координатные станки с ЧПУ. Возможность станка перемещений по трем координатам позволяет реализовать четыре параметра наладки (alk,...,ank, и=4). Корпус фрезы закрепим в делительной головке (рис. 3.16), при помощи которой возможна реализация двух других параметров ( Д ,—, Д„ р, т=2).
При реализации параметров наладки, вращения корпуса фрезы вокруг оси головки, и наклона оси делительной головки с закрепленным корпусом, матрица МА.А, (Д t,..., fimk) будет равна MD,D pxk,P2k) M{x = R mP2k,z = R-RcosP2k,Py = /32k =pyk)t где R = RD + RP; RD - выл ет заготовки; RP и Up - параметры приспособления. При реализации параметров наладки, делительная головка установит корпус фрезы таким образом, чтобы можно было реализовать параметризованную управляющую программу для станка с ЧПУ.
При обработке элементов корпуса концевыми фрезами, выполнение этого условия можно записать следующим образом: 0Л к МГк А- МА-А" (# ." Ртк )М Ш MVW = 0И При этом ось ZA,. обрабатываемого элемента станет, перпендикулярна плоскости XVYV, что и даст возможность обработать элемент концевой фрезой. Разработана математическая модель конструирования корпусов гиперболических фрез для репрофилирования рельсов, позволяющая: установить связи между элементами конструкции корпуса путем определения матриц переходов; рассчитать параметры наладки станка и приспособления 2 го порядка. На основе математической модели созданное программно — математическое обеспечение, позволяет на базе предложенных расчетных зависимостей рассчитать траекторию движения инструмента второго порядка.
Начальными данными для проведения расчета являются параметры обрабатываемого участка головки рельса, режимы обработки и количество точек на участке профиля головки рельса. В качестве примера проведем расчет гиперболической фрезы для репрофилирования симметричного участка профиля головки железнодорожных рельсов типов Р75 и Р65 (рис. 4.1). В качестве СМП принимаем четырехгранную пластину с прямолинейной режущей кромкой (рис. 4.2). Передний угол установки СМП примем / = -10 , угол наклона главной режущей кромки зададим X - 30
Анализ влияния исходных данных на выходные параметры фрезы
С учетом того, что заготовка обрабатывается за одну установку, система рассчитывает параметры наладки поворотного стола обрабатывающего центра или делительной головки для каждой СМП. Расчет углов ведется относительно начального положения. Траектория движения рассчитывается исходя из конструктивных параметров соответствующего элемента. Ввиду того, что в каждом зубе СМП сориентированы одинаково, параметр Д для всех зубьев одинаковый. Результаты расчета параметров наладки при обработке элементов корпуса сведены в таблицу 4.7. В приложении 4.1. представлена управляющая программа обработки корпуса гиперболической фрезы на токарном станке с ЧПУ.
1. Созданная на базе математической модели система автоматизированной конструкторско-технологическои подготовки позволяет повысить эффективность процесса проектирования и изготовления гиперболических фрез, оснащенных СМП, для репрофилирования рельсов за счет: сокращения сроков разработки и внесения изменений в конструкцию инструмента; -сокращения материальных и энергетических затрат.
2. Разработанная конструкция гиперболических фрез, оснащенных СМП, для репрофилирования рельсов обеспечивает заданные численные значения углов вдоль режущей кромки (заднего а, переднего угла у и угла наклона режущей кромки Я ).
3, Выполнено исследование влияния начальных данных для проектирования на выходные параметры фрезы, полученные при этом зависимости позволяют на предварительном этапе оценить габаритные размеры производящей поверхности фрезы и угла наклона главной режущей кромки Л# от параметров установки фрезы на станке относительно головки рельса (угла поворота относительно направления подачи фрезы и угла поворота относительно оси симметрии рельса ) и её радиуса Щ в точке х$=0.
Установлено, что при изменение угла ц/ до 45 рост угла " ведёт к уменьшению ширины производящей поверхности фрезы В, максимального диаметра фрезы тах и Д , при изменение угла ц/ в интервале 45 -ь90 рост угла " ведет к увеличению этих параметров. Установлено, что рост радиуса RQ ведет к увеличению ширины В и диаметра фрезы Dmax, и практически не влияет на угол Д#.
1. Применение гиперболических фрез для ре профилирования рельсов позволяет: - использовать для их оснащения СМП только одного типа - с прямолинейной режущей кромкой; - повысить плавность обработки за счет соответствующего расположения СМП под углами Я и обеспечения непрерывности процесса резания.
2. Разработаны способы обработки гиперболическими фрезами, оснащенными СМП, выпуклых поверхностей, образующая которых представляет собой кривую второго порядка, при которых формообразование происходит вогнутыми производящими линиями, образующимися при вращении СМП с прямолинейной режущей кромкой, расположенных на корпусе инструмента под углом Я к его оси (заявка № 2005101565 от 24.01.2005, заявка № 2005101566 от 24.01.2005).
3. Разработаны способы предварительной и окончательной обработки головки рельсов гиперболическими фрезами, оснащенными СМП с прямолинейной режущей кромкой, расположенными под углом ц/ относительно оси симметрии рельса и под углом Q к направлению подачи, а также инструмент для реализации способов (заявка №2005104073/11(005341) от 15.02.2005, заявка №2005104093/11(005362) от 15.02.2005).
4. На базе разработанных методик и алгоритмов создана геометрическая модель формирования профиля головки рельсов гиперболическими фрезами, оснащенными СМП4 которая учитывает трансформацию профиля образующей номинальной поверхности при установке фрезы на станке под углом С относительно направления подачи.
5. Разработана геометрическая модель конструкции гиперболических фрез, оснащенных СМП, для репрофилирования рельсов, которая включает расчет пространственной установки СМП на корпусе инструмента с обеспечением заданных численных значений углов вдоль режущей кромки СМП (заднего а, переднего угла у и угла наклона режущей кромки Л).
6. Выполнено исследование влияния начальных данных для проектирования на выходные параметры фрезы, полученные при этом зависимости позволяют на предварительном этапе оценить габаритные размеры производящей поверхности фрезы и угла наклона главной режущей кромки Л% от параметров установки фрезы на станке относительно головки рельса (угла поворота относительно направления подачи фрезы % и угла поворота относительно оси симметрии рельса ) и её радиуса RQ В точке х$ = 0.
Установлено, что при изменение угла у/ до 45 рост угла С ведёт к уменьшению ширины производящей поверхности фрезы В, максимального диаметра фрезы Dmax и А%, при изменение угла ц/ в интервале 45 -з-90 рост угла С ведет к увеличению этих параметров. Установлено, что рост радиуса RQ ведет к увеличению ширины В и диаметра фрезы тах, и практически не влияет на угол А%.
