Экспериментальные исследования шероховатости сложной поверхности

В результате выполненного анализа установлено, что с экономической точки зрения:

- наиболее эффективны комплексы работ по повышению суммарного срока службы инструмента (создание сборных конструкций);

- далее следуют комплексы работ по повышению производительности инструмента (они имеют больший эффект для оборудования с высокой стоимостью часа работы или высокими часовыми тарифными ставками);

- снижение производительности обработки даже за счет увеличения стойкости, особенно для станков с программным управлением, недопустимы;

- и на последнем месте по значимости - комплексы работ по повышению стойкости инструмента (данные направления работ при прочих равных условиях пред-

почтительны для инструментов с высокой начальной стоимостью);

- работы по повышению стойкости, в результате которых может быть снижена производительность при прочих равных условиях, недопустимы;

- следует иметь в виду, что при решении вопросов проектирования (приобретения) инструмента кроме оценки экономической целесообразности его применения необходимо выполнять и технологический анализ по критериям точности, формирования рельефа обработанной поверхности и др;

- следует учитывать, что для сборных конструкций в допустимую стоимость заложена стоимость дополнительных режущих элементов и пластин, используемых за весь срок службы корпусов инструмента.

И.В.Верхозин, Б.Б.Пономарёв

Экспериментальные исследования шероховатости сложной поверхности

Значительная часть изделий современного машиностроения и технологической оснастки для объемного формообразования деталей из металлов, пластических масс и резины имеет поверхности или участки, в -дифференциальной окрестности каждой точки которой главные кривизны от одной точки к другой бесконечно близкой точке изменяются либо по величине, либо по ориентации главных секущих плоскостей, либо по величине и ориентации главных секущих плоскостей одновременно» [1]. Такие поверхности называют сложными, скульптурными, свободной формы или сложнопрофиль-ными. Они характерны для изделий со сложной аэро- и гидродинамикой, бытовой техники, художественного литья и изделий, имеющих эргономические формы, продиктованные условиями эксплуатации, В некоторых случаях детали с такими поверхностями определяют вид и форму соединения или стыка, в других - определяют внешний вид и в большей степени несут эстетическую нагрузку.

Шероховатость сложной поверхности оказывает влияние на эксплуатационные свойства деталей, входящих в кинематические пары и стыки, и качество изделий, получаемых с применением технологической оснастки, используемой в различных процессах формообразования. Состояние микрорельефа во многом определяет трудоемкость доводочных работ. Исследованиям качества поверхностного слоя при обработке деталей на металлорежущем оборудовании и установлению связей между параметрами шероховатости и режимами резания посвящено множество работ. Особо следует отметить работы А.И.Исаева [2], Н.И.Резникова [5], в

которых представлены результаты экспериментальных исследований процесса образования поверхностного слоя при точении и фрезеровании плоских поверхностей. В [4] представлены результаты обработки экспериментальных данных, характеризующих микрорельеф линейчатых цилиндрических поверхностей, имеющих наружную и внутреннюю кривизну, полученную в ходе чистовой обработки концевой сфероцилиндрической фрезой на станке с ЧПУ при прохождении заготовки по образующим. Формирование микрогеометрии двояковыпуклых и двояковогнутых поверхностей с изменяющимися кривизнами является предметом настоящих исследований.

Следует отметить, что при большой номенклатуре изделий, имеющих так называемые сложные или свободные формы, назрела необходимость еще при проектировании технологических процессов назначать режимы обработки и геометрию движения инструмента, ориентируясь на заданные параметры качества поверхностного слоя в пределах их допустимых значений.

Большинство современных САМ-систем в программах расчета траекторий движения инструмента при чистовом фрезеровании в качестве одного из исходных параметров используют допустимую высоту остаточного гребешка, которая при генераторной схеме формообразования поверхности определяет в значительной степени её топографию. При этом совершенно не учитывается влияние на получаемую шероховатость таких параметров, как скорость резания, величина подач, направление фрезерования и других. Но на примерах фрезерования цилиндрическими фрезами плоских по-

верхностей было экспериментально доказано [3], что режимные параметры являются определяющими. Аналогичное заключение было сделано и в отношении токарной обработки цилиндрических поверхностей [2].

Для установления закономерностей в образовании микрорельефа, получаемого при чистовой обработке сложных поверхностей концевой сфероцилиндрической фрезой, проведена серия экспериментов по изготовлению и измерению деталей, содержащих такие поверхности (рис. 1). С этой целью изготовлено 6 деталей из материала Ст.37, у которых были определены параметры шероховатости и отклонения от номинальной формы. Обработка произведена на трехкоординатном фрезерном станке модели Heckert CSK300 инструментом фирмы Sandvik Coromant. В качестве формообразующего инструмента использовалась четырехзубая концевая фреза со сферической торцовой частью. Для подготовки управляющих программ использовалась CAD/CAM-система Pro/Engineer, в которой была спроек тирована и сама деталь. Измерение шероховатости производилось на приборе 1-го класса точности HOMMEL TESTER Т8000.

поверхности позволяет выявить характер изменения микрорельефа поверхности при фрезеровании с разными углами «восхождения», определяемыми касательными плоскостями в точке контакта фрезы с номинальной поверхностью детали. Обработка различными сечениями сфероцилиндрической фрезы при чистовом фрезеровании детали на трехкоординатном станке с ЧПУ позволяет проследить характер изменения микрорельефа в зависимости от положения точки касания поверхности заготовки с поверхностью фрезы. Снятие припуска с заготовки такой детали происходит начиная от точечного касания, при котором контакт с номинальной поверхностью наблюдается в точке на оси вращения (условно 0°) до бокового (условно 90°, скорость резания максимальна), при котором точки на фрезе лежат в экваториальной плоскости. При такой модели, имеющей выпуклые и вогнутые участки поверхности с большими и малыми радиусами кривизн фреза, работая различными участками, испытывает нагрузки, которые оказывают влияние на шероховатость поверхности и погрешность воспроизведения теоретически заданной компьютерной модели детали.

Таблица 1

Условия обработки заготовок

Номер Подача фрезы, Направление

эксперимента мм/мин фрезерования

1 600 встречное

2 1200 встречное

3 600 попутное

4 1200 попутное

5 1200 встречное

Рис, Î. Компьютерная модель детали

Конечной целью проводимых работ является получение аналитических либо статистических зависимостей, устанавливающих связь параметров, определяющих качество поверхностного слоя обрабатываемой поверхности свободной формы, с режимами резания при чистовом фрезеровании концевыми сфероцилиндрическими фрезами. При этом зависимости должны учитывать и параметры формы обрабатываемой поверхности.

Вначале была выбрана форма поверхности для обработки, которая, состоит из 3-х выпуклых и 3-х вогнутых участков и представляет собой частично торовую поверхность. На детали можно выделить 6 участков: 4 -с радиусами 20 мм и 2 - с радиусами 185 мм. Диаметр фрезы, применяемой для чистовой обработки, был принят 10 мм, что обеспечило устойчивое сегментное в расчете на зуб, образование стружки при удалении назначенного припуска во всех зонах обработки как на выпуклых, так и на вогнутых участках. Такой вариант

Для трехмерной модели детали, импортированной в Pro/Engineer Manufacturing, были выбраны стратегия фрезерования и режимы резания. В табл. 1 представлены условия обработки. Всего было обработано 5 заготовок: четыре заготовки обработаны с движением фрезы по равным Z, то есть образование строчек происходило в горизонтальных плоскостях вдоль образующих поверхности на двух различных подачах, с различными направлениями фрезерования; одна заготовка обработана с растровым движением фрезы по нормали к образующим поверхности.

Обработка проводилась в 3 этапа: предварительное фрезерование, затем получистовая обработка и чистовое фрезерование. Причем режимы обработки на первом и втором этапах для всех заготовок оставались неизменными.

Черновая обработка велась плунжерной фрезой Sandvik Coromant R200-038Q22-12L с круглыми сменными пластинами. Диаметр фрезы 50 мм, диаметр пластин 12 мм. Обработка велась послойно, толщина слоя снимаемого материала 1 мм, остаточный припуск для последующей обработки 2 мм.

Получистовое фрезерование проводилось цельной концевой сфероцилиндрической фрезой Sandvik Сою-man1 R216.42-16030-AC26P диаметром 16 мм. Движение фрезы осуществлялось по горизонтальным изолиниям поверхности. Остаточный припуск на чистовую обработку составлял 0,5 мм.

Окончательное чистовое фрезерование четырех заготовок велось цельной концевой сфероцилиндрической четырехзубой фрезой Sandvik Coromant R216.42-10030-АС19Р диаметром 10 мм по изолиниям поверхности, пятая заготовка обрабатывалась с растровой стратегией по нормалям к изолиниям поверхности. Во всех пяти случаях выдерживались постоянства скорости резания, подачи и частоты вращения шпинделя, которая составляла 6000 об/мин. В CAM-программе Pro/Engineer в качестве исходных данных задавалась допустимая высота остаточного гребешка величиной в 20мкм. Исходя из этого условия, программа рассчитывала значение сдвига фрезы (поперечной подачи) на каждый проход. Определение отклонений контуров деталей, полученных при обработке, от теоретически заданных компьютерной моделью, произведено с использованием трехкоординатной измерительной машины PRISMO фирмы Carl Zeiss. Были определены погрешности воспроизведения всех 6 радиусов и основного контура детали, которые не превысили 0,05 мм.

После установления точности исполнения размеров проведено измерение шероховатости поверхности в различных ее сечениях. Основной особенностью прибора для контроля шероховатости HOMMEL TESTER T8000, кроме его высокой точности, является возможность применения контактного датчика с достаточно длинной иглой, позволяющей проводить измерения выпуклых и вогнутых поверхностей, и наличие специального трехкоординатного штатива для закрепления и ориентации на нем измеряемого объекта, имеющего сложные поверхности. Линии поперечного профиля обработанных поверхностей разбивались на 8 равных частей (рис. 2), на отрезках которых длиной 4,8 мм (длина трассы ощупывания) измерена шероховатость. Для ка-

ждого образца измерения проводились в трех сечениях. Данный прибор представляет результаты измерения в виде двух графиков (рис. 3). Причем нижний график дает представление об отклонении формы поверхности от прямой линии в измеряемом месте, а верхний -профиль поверхности на измеряемом участке. Кроме того, программы позволяют вычислять 17 различных параметров, характеризующих шероховатость поверхности.

Таблица 2

Значения углов касательных плоскостей в точках измеряемой поверхности по отношению к базовым плоскостям

Порядковый номер измеряемого участка Изменение угла наклона касательной к анализируемой поверхности в точках измеряемого сечения

1 18 ...36"

2 54е... 72*

3 72°...54в

4 18...36

5 -18...-36

6 -54°...-IX

7 -72"...-54'

8 -36°...-18°

Ф

%

Рис. 2. Порядок измерения шероховатости

[|ЛП] -20.0

lfm] 100.0

R- Profil ausrichtet Filter ISO flS62(MS) Lc = 0.300 mm

Г" 1".......

-А - ./W\t щ Л Г

\ J "YW W vWfcjf V1 \ы If t-

л 1

Taster TKÙ300 Lt~4.80 mm Vt 0.50 mm/s

W Profil ausgerichtet Filter ISO 115$2(Ш) Lc * 0.800 mm 100.0 4------------------------

Taster TKU300 LS = 4.80 mm Vt = 0.50 mm/s

Рис. 3. Результат измерения на приборе HOMMEL TESTER Т8000

ш

Технология машиностроения

Таблица 3

Результаты измерений параметров шероховатости

Подача, иг> Подача, иг, Подача, иг, Подача, иг ,

Номер участка 1200мм/мин, встречное фрезерование 1200мм/мин, попутное фрезерование бООмм/'мин, встречное фрезерование бООмм/мин, попутное фрезерование

Я2 Яа Яг На Яа Яг Яа

1 20,7 3,5 16,7 2,9 11,4 2,2 14,5 2,4

2 18,6 3,0 10,9 2,0 9,8 2,1 10,6 2,0

.3 19,1 3,2 12,6 2,3 14,5 2,7 8,3 1,6

4 21,5 3,9 16,6 2,8 17,6 3,1 15,9 2,8

5 22,2 3,9 16,0 2,8 15,7 3,0 15,9 2,7

6 11,6 2,2 11,5 2,0 14,6 2,7 9,2 1,8

7 18,7 3,3 10,9 2,0 9,6 2,0 11,8 2,0

8 26,8 4,8 18,6 3,3 10,8 2,2 15,7 2,8

11 Встречное фрезерование с подачей \/=1200 мм/мин

I Попутное фрезерование с подачей \/~М00 мм/мин

Встречное фрезерование с подачей \/=600 мм/мин

В Попутное фрезерование с подачей \/=600 мм/мин

Рис. 4. Средние значения

Ш Встречное фрезерование с подачей 4-1200 мм/мин

I Попутное фрезерование с подачей \/=1200 мм/мин

Ш Встречное фрезерование с подачей \/=600 мм/мин

I Попутное фрезерование с подачей \/-600 мм/мин

Рис. 5. Средние значения Яа

Таблица 4

Результаты измерений параметров шероховатости при обработке заготовки с образованием строк по нормалям к образующим

Номер Rz Ra

участка

1 17,4 3,2

2 13,0 2,6

3 10,2 2

4 14,2 2,7

5 13,0 2,6

6 10,8 2,1

7 12,3 2,4

8 18,8 3,6

В табл. 3 представлены данные по полученным средним значениям параметров шероховатости в различных сечениях для четырех заготовок с привязкой к положениям касательных в точках измеряемых поверхностей по отношению к плоскости стола фрезерного станка и базовым плоскостям заготовок. Средние результаты измерения параметров Яг и Яа даны на диаграммах (рис. 4 и 5).

По результатам измерений и приведенным диаграммам можно сделать вывод, что при высокой подаче и встречном фрезеровании шероховатость поверхности значительно превышает шероховатость, получаемую при попутном фрезеровании, и даже выходит за пределы заданной геометрической шероховатости, Наилучшее качество поверхности наблюдается при фрезеровании с малыми подачами, причем в этом случае вид фрезерования не сказывается на результатах. Заклю-

чения по параметру Яа аналогичны предыдущим. Кроме того, можно сказать, что участки 1, 4, 5, 8 (см. табл. 2), как показывают профилограммы, имеют наибольшую шероховатость по сравнению с участками 2, 3, 6, 7. Это может быть объяснено повышенным смятием и деформированием обрабатываемого материала при фрезеровании концевой частью сфероцилиндрической фрезы.

Результаты определения параметров шероховатости заготовки, обработанной с образованием строк в направлении нормалей к образующим поверхности представлены в табл. 4. Обработка проходила с подачей uf = 1200мм./мин встречным фрезерованием. Измерения шероховатости поверхности произведены в направлении, перпендикулярном к линиям обработки поверхности. Полученные данные сопоставимы с результатами, представленными в табл. 3. Это подтверждает, что шероховатость при обработке сфероцилиндрической фрезой в значительной степени зависит от того, какой частью фреза входит в контакт с обрабатываемой сложной поверхностью.

Библиографический список

1. Радзевич С.П. Формообразование сложных поверхностей на станках с ЧПУ. - К.: Вища шк., 1991. - 192 с.

2. Исаев А, И. Процесс образования поверхностного слоя при обработке металлов резанием. - М.: МАШГИЗ, 1950. - 358 с.

3. Резников Н.И. Учение о резании. - М.: МАШГИЗ, 1947. - 587 с,

4. Koulla H. Beiträge zur Beschreibung von technischen Flächen mitteis erweiterter Oberflächenkenngrößen auf der Basis von 3D-Messungen: Dissertation, Technischen Universität Bergakademie Freiberg 2002. - 170 s.

М.Д.Гаер3 А.В.Шабадин

Представление кривых на карте поверхности, заданной квадратичными формами

Рассматриваемая в данной работе задача возникла при разработке САПР, позволяющей моделировать пространственные допустимые отклонения деталей и сборок. Основные результаты наших исследований в этом направлении отражены в [1-4]. Все поверхности здесь задаются их первой и второй квадратичными формами.

При вычислении контура пересечения двух точечно-заданных поверхностей возникает проблема представления и хранения информации о кривой контура на карте поверхности [4]. Контуры необходимы для определения внешних границ поверхностей, внутренних «дыр», а также для определения действительной и недействи-

тельной частей поверхности (рис. 1). Есть два способа хранить информацию о контуре. Первый способ - это хранение всех вычисленных точек пересечения. Этот способ обеспечивает необходимую «гладкость» кривой и с определением действительности и недействительности точки на поверхности не возникает проблем. Второй способ - хранить только некоторые важные для нас опорные точки и лишь при необходимости вычислять промежуточные точки между некоторыми из них, применяя при этом разработанный нами ранее метод натуральной параметризации плоских кривых.