Схемы формообразования гиперболоидными инструментами

УДК 621.914.025.7

СХЕМЫ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ ГИПЕРБОЛОИДНЫМИ

ИНСТРУМЕНТАМИ

С.Г. Емельянов, С.А. Чевычелов, П.П. Чистяков

Рассмотрена взаимосвязь конструктивных параметров гиперболоидного инструмента и их влияние на форму производящей поверхности. Также приведены методы формирования образующей номинальной поверхности одной или несколькими производящими линиями, приведены схемы расчета параметров установки для специального и специализированного гиперболоидного инструмента.

Ключевые слова: гиперболоидный инструмент, формообразование фасонных поверхностей, схемы формообразования.

Контакт режущих кромок инструмента с формируемой поверхностью происходит дискретно, поэтому припуск срезается не полностью, на формируемой поверхности остаются микронеровности в виде гребешков. Совокупность микронеровностей с относительно малыми шагами (шероховатость поверхности) является одним из факторов определяющих состояние поверхности и наряду с точностью формы и волнистостью является одной из основных геометрических характеристик ее качества. Шероховатость оказывает влияние на прочность деталей, антикоррозийную стойкость, отражательную способность поверхности, играет большую роль в подвижных и неподвижных соединениях деталей и т.д. [1].

На высоту гребешков шероховатости при обработке режущим инструментом оказывают влияние: жесткость технологической системы, режимы резания, пластическая и упругая деформации обрабатываемого металла в процессе резания, макро- и микрогеометрия режущего инструмента [2].

Часть из этих факторов можно учесть на стадии проектирования режущего инструмента, для этого необходимо установить количественную связь между ними и уже на этом этапе оценить качество получаемой поверхности [3 - 5].

Микронеровности рассматривают вдоль образующей Е и вдоль направляющей ^ формируемой поверхности (рис. 1) [6]. Каждый гребешок характеризуют высотой Ягт, измеренной в направлении нормали к формируемой поверхности, и шагами Егт, слоев соответственно вдоль образующей Е и направляющей К Остаточный гребешок получается в результате интерференции двух поверхностей резания, образованных не обязательно соседними Qk и Q(k+1) режущими кромками многолезвийного инструмента.

Высота Ягт гребешка (рис. 1) складывается из двух составляющих:

Кгт = + К Е гт ,

133

где Я-б2Т - высота гребешка, определяемая величиной подачи Бк и формой

направляющих номинальной Е и производящей / поверхностей; 2Т -

высота гребешка, определяемая наличием и величиной конструктивной подачи £К и формой образующих номинальной Е и производящей е поверхностей.

Рис. 1. Схема расчета параметров остаточных слоев

Форма производящей поверхности, а также величина £К задаются конструктором еще на стадии проектирования режущего инструмента, поэтому чрезвычайно важно знать количественную взаимосвязь этих параметров. Формообразование любой поверхности (ББ) в общем случае достигается сочетанием различных форм образующей и направляющей производящей поверхности [6]. Таким образом, чтобы уменьшить величину £К необходимо стремиться чтобы радиусы кривизны образующих номинальной и производящей поверхностей были равны по модулю, но имели противоположные знаки [7 - 9]. В случае с прямолинейной или вогнутой образующей номинальной поверхности можно использовать стандартные сменные многогранные пластины (СМП) с прямолинейной или выпуклой режущей кромкой. Для формообразования поверхностей образующая которых представляет собой выпуклый участок кривой второго порядка формообразование стандартными СМП с прямолинейными или радиусными режущими кромками приводит к образованию гребешка

(рис. 2, а, б).

Использование СМП специальной формы, режущие кромки которых имеют вогнутую образующую, вызывает определенные трудности в связи с их невысокой стойкостью [10]. Альтернативным способом является

использование для обработки подобных поверхностей СМП с прямолинейной режущей кромкой, расположенными под углом к оси вращения инструмента X (рис. 3) [11 - 13].

о

г

п<1

П='4

Рис. 2. Схемы формообразования поверхностей

Рис. 3. Углы установки инструмента и производящей линии

135

хпЕ 1 2ПР

апЕ 1 апР

Необходимый угол наклона режущих кромок каждой СМП Хк определяют по формуле

Л = 1я 2 - я1

Л к Л\ 2 2 ' УХ 2 - XI

где Я2 - радиус производящей поверхности в конечной точке режущей кромки СМП, мм; Я1 - радиус производящей поверхности в начальной точке режущей кромки СМП, мм; х2 - координата по оси конечной точки режущей кромки СМП, мм; х1 - координата по оси начальной точки режущей кромки СМП, мм.

При этом производящая поверхность представляет собой множество однополостных гиперболоидов при установке каждой СМП под своим углом наклона к оси инструмента, а инструмент получается специальным, и обработка может производиться как на универсальном, так и на оборудовании с ЧПУ [11, 12].

Таким образом, при моделировании профиля остаточных слоев эллиптическим параболоидом п-го порядка вдоль образующей номинальной поверхности его можно представить уравнением, в котором пЕ = 4 (рис. 2, в) [14]:

У

где пЕ и пр - положительные рациональные числа, характеризующие профиль остаточных слоев вдоль образующей Е и направляющей р линий номинальной поверхности; а и Ь - полуоси эллипсоида на уровне средней линии.

При использовании способов формообразования, представленных на рис. 2, а и 2, б, получаемый гранный профиль можно смоделировать, задав значение показателю степени соответственно пЕ<1 и пЕ=1 (рис. 2, г). Угол при вершине будет определяться количеством проходов и кривизной профиля. Формируемые кромки гранного профиля, сминаясь под воздействием контактных нагрузок, могут стать причиной возникновения концентраторов напряжений.

Таким образом, обработку гиперболоидными инструментами возможно производить двумя способами [15]:

- формированием всей образующей номинальной поверхности одной или несколькими производящими линиями, при этом обработка производится за один проход вдоль направляющей номинальной поверхности;

- формированием части образующей номинальной поверхности одной или несколькими производящими линиями, при этом обработка производится за несколько проходов вдоль направляющей номинальной поверхности с использованием подачи деления (см. рис. 3).

В первом случае получаем специальный режущий инструмент, который будет предназначен для обработки конкретной поверхности детали. На рис. 4, а представлена схема определения параметров, участвующих в формировании образующей номинальной поверхности.

а б

Рис. 4. Схема расчета параметров, участвующих в формировании образующей номинальной поверхности: а - при задании производящей

поверхности инструмента несколькими прямолинейными производящими линиями; б - при задании производящей поверхности инструмента одной прямолинейной производящей линией

В этом случае необходимо решить задачу по нахождению таких значений углов установки инструмента относительно направления подачи £ и относительно образующей номинальной поверхности у, при которых

137

рассчитанные для каждой производящей линии углы Хкр и фкр, будут обеспечивать минимальную высоту остаточных слоев RzZT  min, рассчитанных в каждой точке дискретного представления образующей номинальной поверхности [16].

Параметр к определяет количество СМП в одном зубе, параметр p определяет количество зубьев инструмента.

Во втором случае получаем специализированный инструмент, который будет предназначен для обработки выпуклых поверхностей в заданном диапазоне кривизны образующей этой поверхности. На рис. 4, б представлена схема определения параметров, участвующих в формировании образующей номинальной поверхности по второму способу. В этом случае необходимо решить задачу по нахождению таких значений углов установки инструмента ук, Zk, и количества проходов К, необходимых для формирования всей образующей номинальной поверхности, при которых, высота остаточных слоев RS , рассчитанных в каждой точке дискретного представления образующей номинальной поверхности, не превышает заданного максимального значения [17 - 18].

При использовании во втором случае нескольких образующих можно добиться увеличения производительности, однако обрабатываемая поверхность должна быть открытой. В общем случае необходимо будет решить задачу вида (Rszt  min)< Rmax.

Таким образом, можно выделить три способа формообразования гиперболоидными инструментами.

Гиперболоидные инструменты с параметрами Хк=1, у = const, Z = const. Данная схема относится к первому способу обработки и характерна как гиперболоидным абразивным кругам, так и гиперболоидным фрезам, у которых все прямолинейные режущие кромки СМП расположены на одной прямолинейной образующей производящей поверхности [19];

Гиперболоидные инструменты с параметрами Хк=К, у = const, Z = const. Данная схема относится к первому способу обработки и характерна для гиперболоидных фрез, у которых прямолинейные режущие кромки СМП расположены на разных прямолинейных образующих производящей поверхности (под разными углами Хк);

Гиперболоидные инструменты с параметрами Хк=1, у Ф const, Z Ф const. Данная схема относится ко второму способу обработки и характерна как гиперболоидным абразивным кругам, так и гиперболоидным фрезам. При этом обработка образующей номинальной поверхности производится за несколько проходов, на каждом из которых формируется свой участок образующей номинальной поверхности. Для каждого прохода рассчитываются свои углы установки производящей поверхности.

Список литературы

1. Емельянов С.Г., Чевычелов С.А. Повышение качества обработанной поверхности путем выбора рациональной схемы формообразования // Проблемы машиностроения и автоматизации. 2004. №3. С. 86 - 89.

2. Ушаков М.В. Влияние конструктивной подачи на процесс фрезерования цилиндрическими фрезами: монография. Тула: Изд-во ТулГУ, 2003. 140 с.

3. Емельянов С.Г., Чевычелов С.А. Анализ влияния начального радиуса гиперболической фрезы на ее выходные параметры // Известия Орловского государственного технического университета. Сер. Машиностроение. Приборостроение. 2006. № 2. С. 36 - 41.

4. Емельянов С.Г., Чевычелов С.А., Бобрышев Д.А. Влияние начального радиуса сборных гиперболических фрез на параметры точности корпуса инструмента // Обработка металлов (технология, оборудование, инструменты). 2011. № 2. С. 27 - 29.

5. Емельянов С.Г., Чевычелов С. А., Бобрышев Д. А. Влияние угла поворота сборных гиперболических фрез относительно оси симметрии рельса на параметры точности корпуса инструмента // Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2011. № 3 - 4. С. 9.

6. Лашнев С.И., Борисов А.Н., Емельянов С.Г. Геометрическая теория формирования поверхностей режущими инструментами: монография. Курск: КГТУ, 1997. 391 с.

7. Емельянов С.Г., Чевычелов С.А. Анализ способов формирования профиля головки железнодорожных рельсов // Известия Юго-Западного государственного университета 2011. №1(34). С. 86 - 93.

8. Чевычелов С.А. Определение параметров гиперболического профиля головки рельсов // Известия Юго-Западного государственного университета. 2010. № 4 (33). С. 72 - 75.

9. Пат. № 2420624 Российская Федерация, МПК Е01В5/00. Железнодорожный рельс, способ обработки гиперболических рельсов и фреза для реализации способа / С.Г. Емельянов, С.А. Чевычелов; заявитель и патентообладатель Курский гос. техн. университет. № 2008106300/11; заявл. 18.02.2008; опубл. 10.06.2011, Бюл. №17.

10. Артамонов Е.В., Помигалова Т.Е., Утешев М.Х. Расчет и проектирование сменных режущих пластин и сборных инструментов / под общей ред. М.Х. Утешева. Тюмень: ТюмГНГУ, 2011. 152 с.

11. Емельянов С.Г., Чевычелов С.А., Чистяков П.П. Разработка САПР гиперболоидных фрез для обработки эвольвентных профилей // Справочник. Инженерный журнал с приложением. 2014. № 4 (205). С. 42 - 46.

12. Емельянов С.Г., Чевычелов С.А. САПР гиперболических фрез для репрофилирования рельсов // Вестник машиностроения. 2007. №12. С. 62 - 64.

13. Емельянов С.Г., Чевычелов С. А. Методика проектирования гиперболических фрез для репрофилирования старогодных рельсов // Известия Тульского государственного университета. Сер. Технологическая системотехника. 2005. № 4. С. 32 - 35.

14. Инженерия поверхностей деталей / под ред. А.Г. Суслова. М.: Машиностроение, 2008. 320 с.

15. Емельянов С.Г., Чевычелов С. А., Хомутов Р.Н. Анализ методов проектирования режущих инструментов // Машиностроение и техносфера XXI века: сборник трудов XXII Международной научно-технической конференции в г. Севастополе. 2015. Т. 1. С. 114 - 117.

16. Optimization of Parameters for Hyperbolic Railhead Profile / S.G. Emelyanov, S.A. Chevychelov, P.P. Chistyakov, I.N. Chevychelov // 2015 International Conference on Mechanical Engineering, Automation and Control Systems (MEACS). Tomsk. 2015. P. 2 - 12.

17. Чевычелов С. А. Анализ результатов процесса проектирования гиперболических фрез // Вестник машиностроения. 2007. № 12. С. 64.

18. Емельянов С.Г., Чевычелов С. А. Моделирование погрешности профиля, формируемого гиперболическими фрезами // Вестник машиностроения, № 1. 2008. С. 38 - 40.

19. Пат. №90800 Российская Федерация, МПК Е01В31/17. Абразивный круг для обработки головки рельсов / С.Г. Емельянов, С.А. Чевычелов; заявитель и патентообладатель Курский гос. техн. университет. №2008115701/22; заявл. 21.04.2008; опубл. 20.01.2010, Бюл. №2.

Емельянов Сергей Геннадьевич, д-р техн. наук, проф., ректор, mtio@,kurskstu. ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,

Чевычелов Сергей Александрович, канд. техн. наук, доц., tschsa@yandex.ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,

Чистяков Петр Петрович, асп., P.Chist@ya.ru, Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет

SCHEMES FOR FORMA TION OF HYPERBOLOID INSTRUMENTS S.G. Emelyanov, S.A. Chevychelov, P.P. Chistyakov

The relationship between the design parameters of a hyperboloid tool and their influence on the shape of the generating surface is discussed. Also methods are given for forming a generatrix of a nominal surface by one or more production lines, schemes for calculating the parameters of an installation for a special and specialized hyperboloid tool.

Key words: Hyperboloid tools, shaping of shaped surfaces, schemes offormation.

Emelyanov Sergey Gennadievich, doctor of technical sciences, professor, the rector, mtio@,kurskstu. ru, Russia, Kursk, South-western State University,

Chevychelov Sergey Aleksandrovich, candidate of technical sciences, docent, tschsa@yandex. ru, Russia, Kursk, South-west State University,

Chistyakov Petr Petrovich, postgraduate, P.Chist@ya.ru, Russia, Kursk, South-west State University