Оцінка формоутворення торцевих фрез профільної схеми різання та розширення області їх застосування

Оцінка формоутворення торцевих фрез профільної схеми різання та розширення області їх застосування

Оцінка формоутворення торцевих фрез профільної схеми різання та розширення області їх застосування

МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ
Національний університет «Львівська політехніка»
Кафедра «Технології машинобудування»

Реферат
Дисципліна Теорія різання
”Оцінка формоутворення торцевих фрез профільної схеми різання та розширення області їх застосування”
Львів – 2008р.

Зміст
Вступ
1 Теоретичні відомості
2 Визначення геометричних параметрів різальної частини торцевих фасонних фрез
3 Визначення аналітичних залежностей точок профілю різальної частини торцевих фасонних фрез
4 Перевірка розробленої теорії в виробничих умовах
Загальні висновки
Література

Вступ
Торцеві фрези, призначені для обробки плоских поверхонь широко використовуються в промисловості, як при чорновій, так і при чистовій обробці. Ці фрези всебічно досліджені, є багато конструкцій з раціональними схемами зрізання припуску, визначені оптимальні геометричні параметри, створена теорія проектування таких фрез і розроблені рекомендації, щодо їх застосування в залежності від умов експлуатації.
Однак, процеси обробки фасонних поверхонь торцевими фасонними фрезами досліджені недостатньо. Відома лише невелика кількість робіт, в яких досліджувались процеси обробки фасонних поверхонь торцевими фрезами.
У цих роботах розглядалось, головним чином, формоутворення поверхонь торцевими фрезами, що працюють за генераторною схемою зрізання припуску. Закономірності ж формоутворення фасонних поверхонь торцевими фрезами, що працюють за профільною схемою зрізання припуску не розроблені, не вирішені питання їх затилування, аналізу геометричних параметрів різальної частини, профілювання різних типів торцевих фрез.
Тому розробка теорії проектування торцевих фасонних фрез є актуальною задачею і має велике наукове і практичне значення.
Мета роботи – розробка теоретичних основ проектування торцевих фрез із профільною схемою зрізання припуску та на їх основі розширення області використання торцевих фрез і створення фрез підвищеної працездатності.
Для досягнення поставленої мети необхідно вирішити такі задачі
1. Провести аналіз сучасного стану формоутворення при фрезеруванні фасонних поверхонь.
2. Розробити теорію графічного та аналітичного визначення вихідних інструментальних поверхонь при обробці торцевим фрезами фасонних циліндричних, гвинтових і поверхонь обертання.
3. Розробити методику та алгоритми визначення вихідних інструментальних поверхонь торцевих фасонних фрез.
4. Розробити теорію визначення геометричних параметрів різальної частини торцевих фасонних фрез з урахуванням їх конструкцій.
5. Дослідити, на основі загальних положень теорії затилування, можливі форми поверхонь різальної частини торцевих фасонних фрез.
6. Розробити аналітичні залежності для визначення координат точок різальних кромок гострозаточуваних і затилованих торцевих фасонних фрез, з урахуванням їх конструкції та розташування різальних кромок.
7. Розробити методику та алгоритми профілювання торцевих фасонних фрез з різними поверхнями їх різальної частини.
8. Провести експериментально — промислову перевірку результатів досліджень.
Об¢єкт дослідження – торцеві фрези з профільною схемою зрізання припуску.
Предмет дослідження – проектуваненя торцевих фасонних фрез.
Методи дослідження – теоретичні дослідження базувались на теорії формоутворення поверхонь, теорії проектування різальних інструментів, теорії затилування, методах нарисної та аналітичної геометрії. Реалізація розроблених алгоритмів розрахунку геометричних параметрів і профілювання торцевих фасонних фрез виконувалась на ПЕОМ. Експериментальна перевірка теоретичних досліджень проводилась за стандартними методиками та методиками спеціальними, що моделюють процес обробки фасонних поверхонь торцевими фрезами. Достовірність наукових положень, висновків та рекомендацій підтверджена порівняльними лабораторними та виробничими випробуваннями, метрологічними вимірюваннями, результати яких оброблялись з використанням теорії вірогідності та статистики.

1 Теоретичні відомості
Доказано, що торцевими фрезами можна обробляти поверхні, що допускають, в процесі формоутворення, ковзання поверхонь “самих по собі”, а саме фасонні циліндричні поверхні, фасонні поверхні обертання та фасонні гвинтові поверхні постійного кроку.
Базуючись на аналізі виконання умов формоутворення при обробці даних поверхонь, показано, що профіль вихідної інструментальної поверхні співпадає з профілем деталі у випадках, коли обробляється фасонна циліндрична поверхня, твірні якої лежать у площині перпендикулярній до осі фрези та коли обробляється фасонна поверхня обертання, вісь обертання якої перпендикулярна до осі фрези та перетинає її. Фасонні циліндричні поверхні та фасонні поверхні обертання з профілем, який забезпечує зовнішній контакт вихідної інструментальної поверхні з деталлю, можна обробляти фрезами будь-яких діаметрів.
Фасонні поверхні обертання, у яких знак кута нахилу дотичної до профілю змінний (деталі типу шків), можна обробляти фрезами тільки певного радіуса вихідної інструментальної поверхні, який визначається, виходячи з другої умови формоутворення, за формулою
,
де ri – радіус точки профілю деталі, яка визначається конкретним профілем деталі;
j — кут нахилу дотичної до профілю деталі в цій точці;
d — кут нахилу осі фрези до осі деталі.
При обробці гвинтових поверхонь необхідно визначати профіль вихідної інструментальної поверхні, так як він не співпадає з профілем деталі. В роботі графічно та аналітично визначені вихідні інструментальні поверхні при обробці гвинтових поверхонь постійного кроку. Наведений узагальнений випадок визначення вихідної інструментальної поверхні, коли вісь фрези нахилена до осі оброблюваної гвинтової поверхні.
На основі графічного рішення отримано залежності для визначення координат точок лінії перетину гвинтової поверхні деталі і перерізів, перпендикулярних осі фрези (координати X1,Y1,Z1)

де f(Y0) – функція, яка характеризує профіль гвинтової поверхні;
Y0A – координата базової точки,
Y0 — координата довільної точки профілю гвинтової поверхні;
р – параметр гвинтової поверхні,
e — кут нахилу осі фрези до осі деталі.
У відповідності з X1Y1Z1 визначається радіус вихідної інструментальної поверхні. Базуючись на результатах теоретичних досліджень, розроблено алгоритм розрахунку вихідної інструментальної поверхні.
2 Визначення геометричних параметрів різальної частини торцевих фасонних фрез
У загальному випадку передня площина може займати положення, при якому кути g⊃1;0, l⊃1;0 . В окремих випадках передня площина може бути осьовою (g=0, l=0); фронтально-проектуючою, з різальною кромкою, що лежить в осьовій площині (g⊃1;0, l=0); горизонтально-проектуючою (g=0, l⊃1;0).
Для випадку, коли заточування виконується по передній площині, в роботі розроблено класифікацію задніх поверхонь торцевих фасонних фрез, узагальнювальні випадки, якої показані , де О – вісь фрези, L – вісь обертального руху різальної кромки, `V – вектор швидкості прямолінійно-поступального руху різальної кромки. Для обробки заданої фасонної поверхні деталі, відповідно до цієї класифікації, можуть бути спроектовані різні типи фасонних торцевих фрез, а саме торцеві фрези із задньою фасонною циліндричною поверхнею, фасонною поверхнею обертання, фасонною гвинтовою поверхнею та фасонною затилованою поверхнею. Вибір раціональної конструкції базується на аналізі геометричних параметрів різальної частини.
В роботі розроблено теорію визначення геометричних параметрів для фрез із різними формами задніх поверхонь Для торцевих фасонних фрез із циліндричною задньою поверхнею розглянуто загальний випадок, коли передня площина не проходить через вісь фрези і окремий випадок, коли передня площина є осьовою.
Для загального випадку визначено геометричні параметри торцевих гострозаточених фрез, значення яких в довільних точках різальної кромки знаходяться за такими залежностями
— визначення переднього кута gN
,
— кута нахилу різальної кромки l
,
— кута в плані j

На практиці торцеві фрези із задньою фасонною циліндричною поверхнею найчастіше мають конструкцію, коли a1=0. Для цього випадку в роботі отримано залежності для визначення
— заднього кута aN в нормальному до різальної кромки перерізі
,
,
Для окремого випадку, коли передня площина є осьовою, в роботі отримано залежності для визначення нормального заднього кута для фрез із різними формами задніх поверхонь, а саме
1) із циліндричною задньою поверхнею
;
2) із задньою поверхнею обертання б, a2=0, L//О)
;
3) затилованих по архімедовій спіралі
— осьове затилування
;
— радіальне затилування
;
— затилування під кутом
,
де t — кут між вектором поступального руху різальної кромки та віссю фрези,
4) затилованих по колу (a1=0, L//О)
.
Порівняння формул для визначення задніх кутів aN для осьового затилування та затилування по колу, показує, що з точки зору характеру зміни задніх кутів обидва способи практично рівноцінні, якщо ж на різальній кромці є ділянки з кутами j, близькими до 90°, тоді при затилуванні по колу разом з нахилом пазу в пристосуванні для заточування, його ще зміщують відносно осі , що дозволяє отримувати додатні задні кути в усіх точках різальної кромки. Нормальний задній кут для такої схеми затилування визначений, як
,
,.
Отримані залежності дозволяють, коректуючи конструкційні параметри торцевих фасонних фрез, отримувати фрези з раціональною геометрією різальної частини і рекомендувати для обробки певних профілів фрези з певною формою задньої поверхні. Так, торцеві фасонні фрези із циліндричною задньою поверхнею з a1=0 доцільно застосовувати для обробки фасонних поверхонь з кутом профілю близьким до нуля, а конструкцію з a2=0 для обробки поверхонь з кутом профілю близьким до 90°; фрези із задньою поверхнею обертання, коли вісь фрези і задньої поверхні паралельні, можна застосовувати і отримувати додатні задні кути на різальній кромці при величинах кутів в плані близьких до 90°; осьове затилування можна рекомендувати для фрез, у яких кути в плані в різних точках різальної кромки близькі до 0, а радіальне – для фрез з кутами j близькими до 90°. Якщо ж проектується фреза, у якої на різальній кромці є ділянки з кутами j близькими і до 0 і до 90°, тоді слід застосовувати затилування під кутом.
3 Визначення аналітичних залежностей точок профілю різальної частини торцевих фассонних фрез
Аналіз конструкцій торцевих фрез показує, що у фрез із циліндричною задньою поверхнею і задньою поверхнею обертання положення передньої площини найчастіше відповідає, а у фрез, затилованих по архімедовій спіралі . Тому при вирішенні відповідних задач профілювання в роботі розглянуті саме такі варіанти розташування передньої площини.
Методика профілювання торцевих фасонних фрез, призначених для обробки фасонних циліндричних поверхонь при заданих формі та розмірах поверхні деталі і геометричних параметрах різальної частини, базується на загальній методиці профілювання інструментів.
Графічне профілювання торцевих фрез із циліндричною задньою поверхнею . В системі площин проекцій П1П2П3 зображено профіль деталі АВ, вісь фрези О, передня площина Р, положення якої задається величинами g та Н.
На основі графічного рішення отримано залежності для визначення координат точок різальної кромки(X2, Y2) і профілю задньої поверхні (X5, Y5)

,,

,,

,,
де a та g1 визначаються, як
, .
Для торцевих фасонних фрез із циліндричною задньою поверхнею також розглянуто окремий випадок, який відповідає обробці такими фрезами похилих площин. Якщо різальна кромка і вісь фрези є мимобіжними прямими, то обробка площини в цьому випадку буде з певними похибками, так як різальна кромка буде не прямою, а кривою другого порядку. Для того, щоб цього уникнути, запропоновано рішення , при якому передню площину розташовують на фрезі таким чином, щоб вона проходила через вершину конічної інструментальної поверхні (И).
Тоді передня площина Р буде перетинати вихідну інструментальну поверхню по твірній, яка і буде прямолінійною різальною кромкою. Профіль різальної кромки (X2i,Y2i) і задньої поверхні (X3i,Y3i) для цього випадку відповідно визначені, як
,
,

, , ,
де b — кут нахилу площини, що обробляється.
Для торцевих фрез із задньою поверхнею обертання в роботі вирішено задачі профілювання для випадків, коли вісь задньої поверхні обертання L паралельна осі фрези О і перпендикулярна до неї. Показано графічне профілювання торцевої фрези із задньою поверхнею обертання, коли L^О. В системі площин проекцій П1П2 зображено профіль вихідної інструментальної поверхні, профіль якої співпадає з профілем деталі; вісь фрези О; передня площина Р, положення якої задається кутом Q і радіусом зуба фрези Q в базовій точці.
У відповідності до графічного рішення, координати точок різальної кромки визначені, як
,,
а профілю задньої поверхні, як
,
,,.
Якщо вісь обертання задньої поверхні L паралельна осі фрези О , то відповідно координати точок різальної кромки визначені, як
,,
а профілю задньої поверхні, як
,
,,.
Графічне профілювання торцевих фрез, затилованих по колу показано на Задня поверхня фрези створюється обертанням різальної кромки навколо осі пристосування для затилування.
Базуючись на графічному рішенні, отримано залежності для визначення профілю різальної кромки (X1i, Y1i) торцевої фрези, затилованої по колу
,
та профілю задньої поверхні (X2i, Y2i)
,,
,
,
Профілювання торцевих фасонних фрез, затилованих по архімедовій спіралі полягає у визначенні форми різальної кромки і профілю ножа фрези в осьовому перерізі, який необхідний для проектування затилувального різця. В роботі вирішено задачі профілювання торцевих фрез, затилованих по архімедовій спіралі при осьовому затилуванні та затилуванні під кутом. На показано графічне профілювання при осьовому затилуванні.
Виходячи з графічного рішення, визначено залежності для підрахунку координат точок різальної кромки (X1i, Y1i) при осьовому затилуванні
,

та профілю задньої поверхні (X2i, Y2i)

X0i, Y0i — координати точок профілю деталі.
В роботі також вирішено задачу профілювання торцевих фрез, затилованих під кутом . Залежності для визначені координат точок різальної кромки фрези в цьому випадку будуть
,,
де ,H=Rasing1.
Форма різальної кромки затилувального різця в цьому випадку визначено, як

,,

, , , .
З технологічних причин на практиці різальна кромка при обробці фасонної циліндричної поверхні замінюється дугою кола, відрізком прямої і т.д. Тому важливим є вирішення задачі визначення профілю поверхні деталі з координатами X1, Y1, обробленої торцевою фрезою із заданими величинами g та Н і різальною кромкою з координатами X2, Y2 . В роботі ця задача вирішена таким чином
;,
;;;
R0 і Ri – радіуси фрези в базовій і довільній точці профілю деталі відповідно.

4 Перевірка розробленої теорії в виробничих умовах

Приведено результати спробної перевірки розробленої теорії профілювання на прикладі торцевої фасонної фрези з циліндричною задньою поверхнею та задньою поверхнею, затилованою по колу. Спробна обробка підтвердила справедливість графічних рішень і отриманих аналітичних залежностей по профілюванню торцевих фасонних фрез.
Досліджено вплив конструкційих параметрів на геометрію різальної частини фрези. А саме –вплив положення ножа в корпусі фрези на діапазон значень нормального переднього кута DgN вздовж різальної кромки. Показано, що змінюючи величину Н (параметра, що визначає положення ножа в корпусі фрези), можна досягати мінімальних значень DgN. В результаті розроблено рекомендації по вибору оптимальних значень параметра Н, що дозволяє обробляти різні фасонні профілі однією фрезою, забезпечуючи при цьому мінімальний перепад значень нормального переднього кута gN вздовж різальної кромки.
Результати досліджень були впроваджені на підприємстві Механік» (м.Кам¢янець — Подільський) при проектуванні деревообробних фрез для обробки фасонних виробів, що дозволило збільшити продуктивність праці в 1,8 рази; зменшити ворсистість обробленої поверхні, виключивши при цьому операцію ручної зачистки важкодоступних ділянок фасонної поверхні; підвищити стійкість фрез оновленої конструкції у 1,4 – 1,6 рази.

Висновки

В результаті виконаних досліджень розроблені теоретичні основи проектування торцевих фасонних фрез, які полягають в
— розробці теорії формоутворення поверхонь деталі торцевими фасонними фрезами визначені вихідні інструментальні поверхні при обробці фасонних циліндричних поверхонь, поверхонь обертання та гвинтових поверхонь постійного кроку; досліджені умови формоутворення поверхонь при обробці цим інструментом;
— розробці теорії профілювання, базуючись на аналізі можливих положень і форм передніх і задніх поверхонь та забезпечення доцільних геометричних параметрів різальної частини інструменту.
— визначенні геометричних параметрів різальної частини.
1. Показано, що для обробки заданої фасонної поверхні деталі можна спроектувати торцеві фасонні фрези із різноманітними формами поверхонь різальної частини.
В результаті аналізу схем формування задньої поверхні торцевих фасонних фрез розроблена класифікація торцевих фасонних фрез за формою задньої поверхні, а саме торцеві фасонні фрези із циліндричною задньою поверхнею, із задньою поверхнею обертання, із задньою гвинтовою поверхнею і задньою затилованою поверхнею.
2. Графічно та аналітично вирішені задачі визначення геометричних параметрів різальної частини торцевих фасонних фрез із циліндричною задньою поверхнею, із задньою поверхнею обертання, затилованих по архімедовій спіралі (радіальне, осьове та кутове затилування) та по колу.
3. Показано, що розроблені рекомендації по вибору способу утворення задньої поверхні торцевої фасонної фрези в залежності від форми різальної кромки, дозволяють для конкретних виробничих умов вибирати варіант конструкції з доцільним характером зміни геометричних параметрів на різальній частині.
4. Вирішено задачі профілювання торцевих фасонних фрез при різних положеннях передньої поверхні та різноманітних формах задніх поверхонь для фрез із циліндричною задньою поверхнею, із задньою поверхнею обертання, затилованих по колу та по архімедовій спіралі, а також обернену задачу визначення профілю фасонної циліндричної поверхні деталі обробленої спроектованою торцевою фрезою.
5. Розроблено алгоритми розрахунку профілю задньої поверхні для різних типів торцевих фасонних фрез.
6. В результаті виробничих випробувань встановлено вплив конструкційних параметрів фрез на геометрію вздовж різальної кромки зуба фрези.
Показано, що змінюючи положення ножа в корпусі фрези, можна досягати мінімальних значень діапазону зміни нормального переднього кута вздовж різальної кромки DgN. Розроблені рекомендації, з вибору величини цього конструкційного параметру.
7. Розроблені алгоритми профілювання торцевих фасонних фрез впроваджені на підприємстві “Механік” (м. Кам¢янець-Подільський) з очікуваним економічним ефектом 20 тис. грн. Результати роботи використовуються при викладанні курсу “Основи формоутворення поверхонь”, який читається для студентів спеціальності “Інструментальне виробництво” НТУУ “КПІ”.

Література

1. Герасимчук Е.М. Профилирование фасонных торцевых затылованных фрез, Вестник НТУУ “КПИ” Машиностроение, выпуск 32, Киев, 1997, с.125-129.
2. Родин П.Р., Герасимчук Е.М. Геометрия задней поверхности торцовых фасонных затылованных фрез, Вестник НТУУ “КПИ” Машиностроение, выпуск 34, Киев, 1998, с.3-6.
3. Родин П.Р., Герасимчук Е.М. Профилирование торцовых фрез, затылованных по окружности, “Резание и инструмент в технологических системах”, Международный научно-технический сборник. Выпуск 57, Харьков ХГПУ, 2000, с.194-199.
4. Ніколаєнко Т.П., Герасимчук О.М. Формоутворення площин торцевими фрезами, Прикладна геометрія та інженерна графіка., Міжвідомчий науковий збірник. Випуск 66, Київ, КНУБА, 1999, с.165-167.
5. Герасимчук Е.М. Профилирование торцовых фрез с задней поверхностью вращения, Вестник НТУУ “КПИ” Машиностроение, выпуск 41, Киев, 2001, с.242-246.

«