СПОСОБ ОБРАБОТКИ ДЕТАЛИ
METHOD OF DETAIL TREATMENT

Изобретение относится к технологии машиностроения, а именно к обработке деталей, имеющих криволинейные участки поверхности, расположенные в труднодоступных, полузакрытых местах (детали с каналами, пазами и т.д.) и требующие для их обработки применения многокоординатных фрезерных станков или обрабатывающих центров (четыре, пять или шесть и более одновременно управляемых осей), например пера лопаток моноколес газотурбинных двигателей и установок, пресс-форм и т.д.
Известен способ пятикоординатного фрезерования концевыми радиусными фрезами криволинейных поверхностей, образующих поднутрения (Евгенев Г.Б. Основы программирования обработки на станках с ЧПУ. М.: Машиностроение, 1983 г., с.200).
Известен способ пятикоординатного фрезерования лопаток моноколес концевыми радиусными фрезами (Крымов В.В., Елисеев Ю.С., Зудин К.И. Производство лопаток газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение-Полет, 2002 г., с.203-210).
Недостатками известных решений является то, что они являются трудоемкими и не учитывают ограничения, накладываемые формой поверхности обрабатываемой детали на размеры инструмента и ориентацию его оси при работе.
Известен способ формообразования сложнопрофильных межлопаточных каналов моноколеса газотурбинного двигателя (ГТД) и режущий инструмент для его реализации (патент РФ №2264891, МПК7: В23С 3/18, В23С 5/14, опубл. 27.11.2005 г.).
Недостатком данного решения является невозможность его применения для обработки деталей с узкими каналами сложной формы, например моноколес с лопатками знакопеременной кривизны.
Техническим результатом, на достижение которого направлено заявляемое изобретение, является улучшение показателей качества поверхности (шероховатости, волнистости) и сокращение времени обработки деталей, имеющих криволинейные участки поверхности, расположенные в труднодоступных, полузакрытых местах (детали с каналами, пазами и т.д.) и требующие для их обработки применения многокоординатных фрезерных станков или обрабатывающих центров (четыре, пять или шесть и более одновременно управляемых осей).
и
i
max
и
Указанный технический результат достигается тем, что в способе обработки детали обработку осуществляют с использованием цилиндрических или конических фрез с рабочей частью, по меньшей мере, часть поверхности которой выполнена криволинейной, причем обработку осуществляют фрезерованием участком криволинейной поверхности R, удовлетворяющим условию γ≤γ, a R определяют из условия
и
o
ор
i
max
i
где R - радиус кривизны нормального сечения рабочей части фрезы, проходящего через ось фрезы, R - радиус кривизны нормального сечения обрабатываемой поверхности, проходящего через ось фрезы, Δ - допуск на оребрение, γ - текущий угол отклонения между осью фрезы и касательной плоскостью к обрабатываемой поверхности детали в точке касания фрезы и обрабатываемой поверхности детали, γ - максимальный угол отклонения между осью фрезы и касательной плоскостью к криволинейной поверхности фрезы, где γ - текущий угол отклонения между осью фрезы и касательной плоскостью к обрабатываемой поверхности детали в точке касания фрезы и обрабатываемой поверхности детали.
max
2
max
Например, γ - максимальный из всех для данного участка криволинейной поверхности угол отклонения (как показано на фиг.1), в данном случае соответствующий нижней точке дуги с радиусом R, однако расположение (местоположение) угла γ зависит от формы криволинейной поверхности и его расположения, как и его величина может меняться для различных случаев.
Заявляемым способом возможно обрабатывать, например, перо лопаток моноколеса.
Заявляемым способом возможно осуществлять чистовую и получистовую обработку детали фрезерованием.
Заявляемым способом возможно осуществлять обработку на большом количестве координатных фрезерных станков.
max
1
i
вращ
max
1
1
i
вращ
Заявляемым способом возможно обрабатывать детали с использованием фрезы, по меньшей мере, часть поверхности которой выполнена криволинейной, состоящей из участков различной кривизны, причем для одного из участков выполняются соотношения 0≤φ<γ≤90° и R>R>R, где φ - угол конусности конической концевой фрезы, γ - максимальный угол отклонения между осью фрезы и касательной плоскостью к криволинейной поверхности в точке соединения двух соседних участков различной кривизны, один из которых с максимальным радиусом кривизны R, где R - максимальный из всех радиус кривизны криволинейных участков поверхности рабочей части фрезы, R - радиусы кривизны остальных криволинейных участков поверхности рабочей части фрезы, R - максимальный радиус вращения криволинейного участка поверхности фрезы.
max
1
i
вращ
Обработку детали могут осуществлять цилиндрической фрезой, для которой выполняются соотношения γ<90° и R>R>R.
Обработку детали могут осуществлять конической фрезой, для которой выполняются соотношения
max
1
i
вращ
0<φ<γ<90° и R>R>R.
1
2
max
1
2
max
max
1
Т.е. в случае, если заявляемый способ реализуется с использованием цилиндрической или конической фрезы, криволинейная часть поверхности которой состоит более чем из одной части, например из двух частей с радиусами кривизны R и R, то заявляемые соотношения должны выполняться для участка с максимальным радиусом кривизны и γ определяется в точке сопряжения криволинейных участков поверхности с радиусами R и R, причем γ и φ определяются в каждом конкретном случае в зависимости от параметров как обрабатываемой детали, так и фрезы, например формы, размеров и т.д. Например, γ - максимально допустимый угол отклонения, соответствующий нижней точке дуги с наибольшим радиусом R (фиг.1).
Сущность изобретений поясняется на фиг.1 и 2, где на фиг.1 - схема расположения обрабатываемой детали и обрабатывающей фрезы с рабочей частью, состоящей из двух участков различной кривизны, на фиг.2 - схема расположения фрезы при выполнении соседних проходов объемной обработки при использовании обычных концевых цилиндрических или конических фрез со скругленной сферической или торовой рабочей частью.
и
и
сф
и
т
и
R - радиус кривизны нормального сечения рабочей части обычной радиусной фрезы, проходящего через ось инструмента; для обычных концевых фрез со скругленной сферической рабочей частью R является радиусом сферы R, а для обычных концевых фрез со скругленной торовой рабочей частью R является радиусом вращаемой окружности тора R, а для инструмента, реализующего заявляемый способ, R является радиусом R - радиусом кривизны криволинейного участка с максимальной кривизной поверхности рабочей части фрезы.
o
R - радиус кривизны нормального сечения обрабатываемой поверхности, проходящего через ось инструмента.
ор
Δ - допуск на оребрение (максимально допустимая из технических условий высота гребешка, остающегося на обрабатываемой поверхности между последовательными проходами).
φ - угол конусности конической концевой фрезы; для цилиндрической фрезы φ=0.
Заявляемое изобретение основывается на следующих предпосылках.
стр
и
o
При использовании цилиндрических или конических фрез со стандартной скругленной сферической или торовой концевой частью для многокоординатного фрезерования деталей, например пера лопаток моноколес, расстояние между соседними проходами фрезы S - подача на строку зависит от R и R.
ор
и
o
стр
Для соответствующих практике случаев, когда Δ на несколько порядков меньше чем R и R, величина S определяется следующей формулой:
и
стр
Анализ формулы (1) показывает, что увеличение R приводит к увеличению S, что в свою очередь сокращает количество проходов (строк), длину траектории и машинное время обработки. Как следует из (1)
стр
Анализ (2) показывает, что увеличение Rи при фиксированном значении S уменьшает высоту гребешка, остающегося на обрабатываемой поверхности между проходами, т.е. результатом является повышение качества обработки деталей, например пера лопаток моноколес при одновременном сокращении времени обработки.
На основании проведенных заявителем исследований был сконструирован и экспериментально проверен новый профиль обрабатывающего инструмента, а именно фрезы, и был разработан новый способ обработки деталей, в частности пера лопаток моноколес заявляемым обрабатывающим инструментом.
1
2
2
1
вращ
2
i
вращ
i
2
Предлагается осуществлять обработку фрезерованием, а для того чтобы обеспечить получение заявляемого технического результата в случае, когда криволинейная поверхность фрезы состоит из двух участков различной кривизны R и R, обработку необходимо вести участком профиля фрезы с радиусом R, который больше R и больше R, а в случае, если криволинейная поверхность состоит из трех и более участков, то R должен быть больше R и R, где R - кривизна любого участка, кроме R, причем параметр фрезы φ зависит от параметров поверхности обрабатываемой детали и определяется для каждого случая, однако для достижения заявляемого технического результата должны выполняться условия, изложенные в независимом пункте формулы изобретения.
i
max
Кроме того, для обеспечения заявленного технического результата при обработке детали в каждой i-й точке траектории движения фрезы ее ось должна быть расположена к обрабатываемой поверхности таким образом, чтобы выполнялось условие 0≤φ≤γ≤γ≤90°.
i
max
1
2
1
вращ
1
2
стр1
стр2
В случае, если γ>γ, то обработка осуществляется профилем с радиусом кривизны R и технический результат, как и для случая R>R<R, достигаться не будет, так как R<R, a S<S, где
op1
op2
a Δ>Δ, где
2
1
вращ
стр2
стр_вращ
В случае, если R>R<R, то технический результат достигаться не будет, так как S<S, где
ор_вращ
ор2
а Δ>Δ, где
2
1
стр2
стр1
op1
ор2
В случае, если R<R то максимально возможный технический результат достигаться не будет, так как S<S, a Δ>Δ.
Обработку осуществляют следующим образом.
Предварительно спроектированную в соответствии с заявляемыми условиями, изготовленную и настроенную на размер концевую фрезу устанавливают в шпинделе, например, с использованием устройства автоматической смены инструмента, включают вращение шпинделя и на ускоренной подаче перемещают в точку подвода, расположенную, как правило, вблизи первой точки первого рабочего хода. В точке подвода ось фрезы, как правило, ориентируют вертикально для станков с вертикальным расположением шпинделя и горизонтально для станков с горизонтальным расположением шпинделя. Из точки подвода фрезу на подаче врезания перемещают в точку врезания, в которой ось фрезы ориентируют с учетом необходимого угла отклонения, и включают охлаждение. После этого фрезу перемещают в первую точку рабочего хода (стартовую точку), причем ориентация фрезы при выполнении этой операции остается неизменной. Первый рабочий ход производят строчным методом, для чего концевую фрезу перемещают по строчке вдоль поверхности обрабатываемой детали. В процессе обработки контролируют положение не только расчетной точки фрезы, но и положение его оси.
Причем ось фрезы располагают в пространстве по отношению к обрабатываемой детали таким образом, чтобы выполнялись заявляемые соотношения параметров.
После завершения рабочего хода по текущей строчке выполняют перемещение на следующую строчку, осуществляя подачу на строку. При выполнении этого движения осуществляют ориентацию фрезы с учетом необходимого угла отклонения, который соответствует заявляемому интервалу значений.
Затем аналогично первому рабочему ходу производят следующий рабочий ход строчным методом. Рабочие ходы повторяют до тех пор, пока не будет полностью обработана определенная для данного технологического перехода часть поверхности детали.
Из последней точки последнего рабочего хода на подаче отвода фрезу перемещают в точку отвода, причем ориентация ее оси при выполнении этого движения остается неизменной, и в точке отвода отключают охлаждение.
Из точки отвода фрезу на ускоренной подаче перемещают в начальную точку следующего технологического перехода или в конечную точку траектории данной технологической операции. В конечной точке этого перемещения ось фрезы ориентируют или вертикально (для станков с вертикальным расположением шпинделя) или горизонтально (для станков с горизонтальным расположением шпинделя). Процесс обработки детали закончен.
Рассмотрим примеры конкретного выполнения.
Необходимо осуществить чистовую обработку пера лопатки моноколеса ГТД со следующими параметрами: наружный диаметр моноколеса - 603,5 мм, ширина решетки профилей пера - 60 мм, высота пера - 110 мм, горло профилей (диаметр минимальной окружности, вписанной в межлопаточный канал) - 22 мм.
1
2
1
Для осуществления такой обработки используют коническую концевую фрезу с двумя участками криволинейной поверхности со следующими параметрами: (φ=6°, R=4,5 мм, R=15 мм. Высота гребешка между проходами составляет 11,55 мкм. Для обработки заданной поверхности обычной концевой конической фрезой со скругленной сферической рабочей частью с параметрами φ=6°, R=4,5 мм, высота гребешка между проходами составляет 20,0 мкм. Уменьшение времени обработки одной и той же поверхности при улучшении качества обработки при использовании заявляемого способа составляет 1,7 раза.