Физическое моделирование фрезоточения резьбы

УДК 621.9.042; 621.992.5

ФИЗИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ ФРЕЗОТОЧЕНИЯ РЕЗЬБЫ

А.С. Ямников, О.А. Ямникова

Предложена методика физического имитационного моделирования процесса фрезоточения единичным резцом на токарном станке, что многократно снижает издержки на проведение экспериментальных исследований. Процесс фрезоточения характеризуется синхронным согласованным вращением инструмента (винтовой фрезы) и заготовки с радиальной подачей сближения, осуществляемой относительным перемещением фрезы и заготовки. При таких движениях скорость резания образуется за счет проскальзывания зубьев фрезы по телу заготовки. Глубина срезаемого слоя меняется на каждом резе от нуля до максимума, а затем снова до нуля, что характерно для процесса фрезерования. Согласно предлагаемой методике такие параметры процесса имитируются путем точения резьбы или неполных кольцевых канавок на эксцентрично закрепленных в приспособлении токарного станка заготовках.

Ключевые слова: фрезоточение, моделирование, токарный станок, единичный резец, резьба, эксцентричное закрепление заготовки.

Способ нарезания резьбы винтовым инструментом при одновременном согласованном вращении инструмента и заготовки был описан в 1941 году С.И. Скухторовым и В.Н. Хлуновым в журнале «Машиностроитель» [1] и развит в диссертации Д.Ю. Солянкина, выполненной при непосредственном участии авторов [2]. Ими была предложена схема высокопроизводительного способа формирования резьб режущим инструментом с винтовой производящей поверхностью. Сущность способа заключается в том, что заготовки и инструменту сообщают взаимосвязанные вращательные движения Du и Пд вокруг параллельных осей соответственно инструмента и заготовки и движение сближения Dt при равных осевых шагах Ро инструмента и Р формируемой поверхности и постоянном передаточном отношении k, равном единице (рис. 1).

Рис. 1. Способ формирования резьб винтовым инструментом при синхронном вращении с заготовкой

48

Резьбу формируют сразу по всей длине без осевого движения подачи, когда окружные скорости V и Уд соответственно точки инструмента и точки формируемой поверхности в месте контакта разнонаправле-ны.

В 1971 г. В.В. Лоцманенко предложил методику расчета параметров профиля производящей поверхности рассматриваемого инструмента при разнонаправленных движениях вращения Ои и Од [3]. В 1978 г. фирма «ТгаиЬ» (ФРГ) оснастила свои токарно-револьверные станки специальным приспособлением «Резьбофрезерное и многокромочное токарное приспособление», которое можно использовать для фрезоточения наружных резьб. В паспорте станка отмечено что, при помощи этого приспособления можно нарезать резьбы на легкообрабатываемых материалах.

В 1977 г. на Хабаровском станкостроительном заводе было разработано и внедрено специальное приспособление для кругового протягивания наружных резьб из цветных и легкообрабатываемых сталей инструментом диаметра 80 мм на токарно-револьверных автоматах мод. 1Б140, 1Б125 и на шестишпиндельных токарных полуавтоматах мод. 1Б-240-6 [3] со скоростью резания для цветных сплавов до 600 м/мин, для легкообрабатываемых сталей до 190 м/мин, с подачей сближения для цветных сплавов 0,015...0,035 мм/об, для легкообрабатываемых сталей 0,007...0,015 мм/об.

Работа приспособления основана на принципе синхронного вращения фрезы и обрабатываемой детали с одинаковой частотой в одном направлении с радиальным перемещением фрезы. Резьба фрезеруется на всей длине за один проход. Обработка при повышенных скоростях резания делает процесс фрезерования высокопроизводительным [4]. Эти приспособления можно использовать для фрезоточения наружных резьб по схеме 1. 1 в условиях серийного и массового производства. В 1987 - 1993 гг. В.Н. Воронов развил способ нарезания резьбы винтовым инструментом [5 - 7]. Особенно много внимания было уделено практической реализации способа.

В 1994 г. Е.В. Серова и С.И. Лашнев разработали теорию профилирования инструмента для фрезоточения резьбы [8, 9]. Ими доказано, что нарезание резьбы при попутной ее обработке является менее производительным по сравнению со способом формирования резьбы при встречной ее обработке. Ухудшается и качество обработанной поверхности за счет увеличения огранки. Также было доказано, что работоспособными из предложенных В.Н. Вороновым схем фрезоточения (таблица) являются только три схемы: 1.1; 2.2 и 2.3, в которых инструмент вращается навстречу заготовке. Схемы же с попутным вращением не могут полноценно фор-мообразовывать профиль резьбы на всем протяжении пути резания, а только в диаметральной плоскости заготовки - реально на заготовке формируется только одна линия, принадлежащая этой поверхности.

49

Классификация способов и схем обработки резьбы винтовым инструментом с радиальной подачей по В.Н. Воронову

Виды главных движений

Обработка наружных резьб

Внешнее касание VI

Внутреннее касание У2

Два вращательных в одну сторону Ф1

1.1

1.2

Два вращательных в разные стороны Ф2

2.1

2.2

В работах большинства исследователей доказано, что способ нарезания резьбы винтовым инструментом при одновременном согласованном вращении инструмента и заготовки и радиальной подачи сближения (врезания) эффективен при нарезании мелких резьб длиной до 10 шагов. В противном случае либо возникают чрезмерные силы резания, либо приходится значительно снижать подачу и сам процесс резания с чрезмерно малыми подачами становится сомнительным, в крайнем случае - неэффективным. Таким образом, процесс нарезания резьбы винтовым инструментом при одновременном согласованном вращении инструмента и заготовки известен достаточно давно. Отечественными и зарубежными учеными и конструкторами разработаны некоторые устройства для реализации способа. В то же время в перечисленных работах недоисследованными остаются обобщенные теоретические положения, комплексно представляющие описание процесса фрезоточения резьб и результата его воздействия на заготовку, что затрудняет создание рациональных конструкций инструмента и обоснование технологических режимов, а также сужает возможности выбора или проектирования оборудования для реализации способа.

В работах Д.Ю. Солянкина, А.С. Ямникова, О.А. Ямниковой [10 - 14] эти же вопросы рассмотрены с позиции имитационного 3Б-моделирования с помощью программного комплекса КОМПАС [15]. Разработана программа имитационного моделирования процесса фрезото-чения. Она позволяют объективно описывать процесс профилирования резьбы и образования погрешностей её профиля, которые могут быть оценены качественно и определены количественно. показано, что профиль впадины резьбы (даже при четырехзубой фрезе) может быть оформлен тремя резами, а не только 1 - 2, как у В.Н. Воронова.

Для количественной оценки допустимости определенных погрешностей в работе выведена формула для расчета диаметральной компенсации погрешностей в виде недорезов или зарезов профиля, полученных в ходе моделирования и измеренных по нормали к номинальному профилю резьбы. На рис. 2 представлена 3Б-модель детали, полученная в результате имитационного моделирования процесса фрезоточения.

Рис. 2. 3Б-модель детали

На рис. 2 видно, что винтовая поверхность резьбы получена как огибающая множества следов от прохождения зубьев фрезы в теле заготовки. На рис. 3 представлена 3Б-модель подрезов профиля резьбы, полученная вычитанием из 3Б-модели теоретической винтовой поверхности 3Б-модели поверхности, полученной фрезоточением.

Рис. 3. 3Б-модель подрезов профиля резьбы

Этот рисунок наглядно показывает внешний вид подрезов в виде 3Б-изображения, что позволяет более объективно судить о сущности такого сложного с позиции формообразования винтовых поверхностей процесса. 3Б-модель детали позволяет измерять объем погрешностей и любые линейные размеры, используя сечения. Для повышения объективности измерений в работе представлены результаты моделирования в виде отдельных сечений резьбы и таблиц с измеренными значениями погрешностей.

Однако, для практической реализации рассматриваемого процесса необходимо знать не только расчетные величины геометрических погрешностей, но и его физические параметры: значения сил резания, стойкост-ные зависимости, которые нельзя получить расчетным путем. Эти вопросы требуют экспериментального исследования, например определения стой-костных и силовых зависимостей, в условиях приближенных к реальным.

Воронов В.Н. [5 - 8] назвал рассматриваемый процесс фрезоточением. В данном процессе, как при точении, заготовка быстро вращается на станке токарного типа, а срезание припуска осуществляется инструментом, имеющим все признаки групповой резьбовой фрезы. Отсюда же понятно, что применять зависимости для точения или фрезерования к фрезоточению

не корректно. Как видно из предыдущего описания, инструмент для фрезо-точения является многозубым, его стойкость по имеющимся данным очень высока и для отыскания эмпирических зависимостей требуется большое количество заготовок и времени. Дополнительную сложность представляет собой необходимость серьезной модернизации действующего или проектирования и изготовления специального оборудования. Для устранения организационных затруднений следует использовать физическое моделирование [16 - 19]. На рис. 4 изображена схема фрезоточения наружной резьбы.

Рис. 4. Схема фрезоточения наружной резьбы

Фреза диаметром Вф и заготовка диаметром ВМщ вращаются с

одинаковой частотой (пд=пф) и сближаются со скоростью радиальной подачи За один оборот заготовки и фрезы каждый зуб фрезы работает один раз, следовательно, при фрезоточении подача на зуб будет равна подаче на оборот (= 8р0), соответственно также ^ = 8р0. Для обоснования принятой методики моделирования рассмотрим кинематику резания в процессе фрезоточения. Анализ кинематики резания фрезоточения наружной резьбы показал [5 - 8], что траекторией относительного движения

52

вершины единичного зуба фрезы является окружность радиусом Я^р , причем Ятр = Яф + Яд. За каждый оборот заготовки (и фрезы) единичный

зуб срезает слой металла определенной длины и толщины.

Для обработки полной глубины профиля резьбы Н фрезе (заготовки) необходимо сделать к оборотов:

к = Н/Бро.

Для ускорения и удешевления испытаний применялся метод моделирования путем имитации процесса фрезоточения на токарном станке единичным резьбовым резцом. Эксперименты проводились физическим имитационным моделированием, для чего процесс фрезоточения заменялся процессом точения эксцентрично закрепленной заготовки (рис. 5).

Рис. 5. Схема моделирования фрезоточения наружной резьбы

Заготовку 1 с центром в точке о1 закрепляют на планшайбе 2 не подвижно, а планшайбу с заготовкой вращают вокруг центра О.

53

Единичный резьбовой резец 3 закрепляют в суппорте токарного станка и сообщают ему подачу. На рис. 6 изображена схема фрезоточения внутренней резьбы.

Воронов В.Н. получил уравнение траектории зуба фрезы в параметрическом виде [5 - 8]

= ^ - г)СОБа + ГсоБ2а, [^1 - г)бш а + г Бт2а.

Сравнивая это выражение с уравнением кривой «улитка Паскаля», В.Н. Воронов принял, что они тождественны.

Следовательно, траектория относительного движения зуба фрезы при обработке по рассматриваемой схеме (см. рис. 3) должна являться кривой «улитки Паскаля» (2), уравнение которой в неявной форме принимает вид

(х1 + г )2 + у - 2Г (+ г ) ] =( r - г )2 г( + г )2 + У1

7/ X

Рис. 6. Схема фрезоточения внутренней резьбы

Для моделирования процесса фрезоточения внутренней резьбы на токарном станке (рис. 7) заготовку 1 закрепляют в трехкулачковом патроне с эксцентриситетом относительно оси вращения патрона

54

е = Яа - Р,

где р - радиус кривизны «улитки Паскаля» в точке наибольшего заглубления зуба фрезы в тело заготовки; Я^ - радиус нарезаемой резьбы,

Яа = °,5£>а.

з__/ Л

Рис. 7. Схема моделирования процесса фрезоточения внутренней

резьбы

Для этого под одну из губок патрона подкладывают пластину толщиной

b = 1,5e

где D6 - диаметр базы (наружный диаметр заготовки).

Подбором эксцентриситета добивались необходимой длины дуги контакта зуба инструмента с заготовкой.

Таким образом, заготовка будет вращаться вокруг центра O. Единичный резьбовой резец 3 закрепляют в суппорте станка и сообщают ему подачу. То есть, на токарном станке создаются те же условия, та же кине-

55

матика резания, что и в процессе фрезоточения (тот же радиус траектории относительного движения; такой же прерывистый процесс резания с тем же циклом; та же длина пути резания единичного резца, тот же угол контакта). Режимы и условия резания (скорость, подача, глубина резания, охлаждение) назначают такие же, как и при фрезоточении.

При фрезоточении каждый зуб фрезы представляет собой резьбовую гребенку. В процессе обработки одной заготовки каждый единичный резьбовой резец гребенки обрабатывает одну впадину резьбы на соответствующем секторе резьбовой поверхности. Следовательно, обработка одной впадины резьбы на соответствующем секторе заготовки при моделировании будет соответствовать (по пути резания и по износу единичного резьбового резца) фрезоточению одной заготовки.

Таким образом, для сокращения количества заготовок и времени испытаний целесообразно на каждой заготовке нарезать как можно больше резьбовых впадин. Это может быть достигнуто путем многопроходного точения резьбы с продольной подачей.

При этом за каждый проход глубина резания ti должна быть равна подаче на оборот при фрезоточении Sp0. После многопроходной обработки одного сектора резьбовой поверхности заготовку поворачивают вокруг ее оси на угол, равный угловому шагу зубьев фрезы, и обрабатывают следующий сектор и т.д.

Таким образом, обработка одной заготовки будет соответствовать (по износу единичного резьбового резца) фрезоточению заготовок

где l - длина резьбы; P - шаг резьбы; z - количество обработанных секторов, равное числу зубьев фрезы.

Математическое имитационное 3Б-моделирование процесса фрезо-точения резьбы с помощью программного комплекса КОМПАС позволяет наглядно представить специфические моменты образования погрешностей формообразования резьбы.

Предлагаемые схемы физического моделирования позволяют проводить экспериментальные исследования процесса фрезоточения без необходимости проектирования и изготовления сложного инструмента - червячных резьбовых фрез и модернизации станков, что значительно сокращает материальные и временные затраты на подготовку и проведение экспериментов.

Список литературы

1. Скухторов С.И., Хлунов В.Н. Фрезерование резьбы по методу обката //Машиностроитель. 1941, № 2. С. 6 - 9.

2. Солянкин Д. Ю. Фрезоточение разнонаправленных резьб на примере обработки радиаторных ниппелей: автореф. дис. ... канд. техн. наук. Тула, 2011. 16 с.

3. А.С. 380409 СССР. Способ нарезания резьбы / В.В. Лоцманенко Опубл. в БИ, 1973, № 15.

4. Бутузов В.В. Универсальное приспособление для фрезерования резьб на токарно-револьверных автоматах // Опыт передовиков и новаторов производства, внедрение НОТ: экспресс-информация НИИМАШ. 1977. Вып. 4. 2 с.

5. Воронов В.Н. Изготовление резьб винтовым инструментом // Станки и инструмент. 1991. № 10. С. 14 - 16.

6. Воронов В.Н., Ямников А.С., Протасьев В.Б. Автоматизация обработки ниппелей отопительных радиаторов // Механизация и автоматизация механосборочных работ: тез. докл. регион, конф. Ижевск: ДНТП, 1990. С. 21-22.

7. Воронов В.Н., Ямников А.С., Протасьев В.Б. Инструменты для фрезоточения резьбы в роторной линии // Инструментальное обеспечение автоматических систем механообработки: тез. докл. регион, конф. Иркутск: АН СССР, НЦСО. 1990. С. 12 - 13.

8. Воронов В.Н., Серова Е.В. Формообразований резьбы винтовым инструментом с радиальной подачей // Технология механической обработки и сборки. Тула: ТулГТУ, 1993. С. 87 - 95.

9. Лашнев С.И., Серова Е.В. Расчет параметров производящей поверхности фрезы-протяжки для обработки круглых резьб //Автоматизированные станочные системы и роботизация производства: сб. науч. тр. Тула: ТулГТУ, 1993. С. 87 - 92.

10. Солянкин Д.Ю., Ямников А.С. Относительная производительность фрезоточения резьб / Известия ОрелГТУ. Сер. Фундаментальные и прикладные проблемы техники и технологии. 2010. №6 (284). С. 109 - 114.

11. Солянкин Д.Ю. Ямников А.С., Ямникова О.А. Методика определения параметров срезаемых слоев и огранки при фрезоточении резьб // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2011. Вып. 3. Ч. 1. С. 272 - 278.

12. Ямников А.С., Ямникова О.А., Солянкин Д.Ю. Имитационное моделирование фрезоточения резьбы // Наукоёмкие технологии в машиностроении. 2011, №6. С. 15 - 20.

13. Солянкин Д.Ю. Ямников А.С., Ямникова О.А. Фрезоточение резьб. Обоснование технологии и конструкций инструмента: монография, ФРГ: Изд-во Ламберт, 2012. 176 с.

14. Ямникова О.А., Ямников А.С. Имитационное моделирование компонентов технологических систем: учеб. пособие. Тула: Изд-во ТулГУ, 2013. 191 с.

15. Компас-ЭБ V15, система трехмерного моделирования. Артикул: ASCON_00-0014661. Платформа: Windows XP/Vista/7/8.

16. Гухман А. А. Введение в теорию подобия. М.: Изд-во ЛКИ, 2010. 296 стр.

17. Силин С. С. Метод подобия при резании материалов. М.: Машиностроение, 1979. 152 с.

18. Замятина О. М. Моделирование систем: учеб. пособие. Томск: Изд-во ТПУ, 2009. 204 с.

19. Финаев В.И. Моделирование систем: учеб. пособие. Таганрог: Изд-во ЮФУ, 201Э. 181 с.

Ямников Александр Сергеевич, д-р техн. наук, проф., yamnikovas@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Ямникова Ольга Александровна, д-р техн. наук, проф. yamnikovaoa@mail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

PHYSICAL MODELING MESOTOCIN THREAD A.S. Yamnikov, O.A. Yamnikova

A method of physical simulation process mesotocin single chisel on a lathe, which greatly reduces the costs for carrying out experimental research. Is proposed. The process is characterized by the simultaneous coordinated mesotocin tool rotation (screw-cutter) and blank, a radial feed rapprochement undertaken by the relative movement of the cutter and the workpiece. In these movements the cutting speed is formed by slip cutter teeth on the body of the preform. Depth cutting layer varies in each the cut from zero to a maximum and then back to zero, which is typical for the milling process. According to the proposed method the process parameters are simulated by turning the thread or partial annular grooves on an eccentrically fastened in the means of the lathe workpieces.

Key words: mesotocin, modeling, lathe, a single cutter, thread, eccentric fixation of the workpiece.

Yamnikov Aleksander Sergeevich, doctor of technical sciences, professor, yamniko-vas@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University,

Yamnikova Olga Aleksandrovna, doctor of technical sciences, professor, yamniko-vaoa@mail.ru, Russia, Tula, Tula State University