Исследование геометрии режущей части комбинированного инструмента с планетарным движением Текст научной статьи по специальности «Механика и машиностроение»

УДК, 621.99

ВА. ГРЕЧИШНИКОВ, СА. МАХРОВ., НА. УВАРОВ

ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕОМЕТРИИ РЕЖУЩЕЙ ЧАСТИ КОМБИНИРОВАННОГО ИНСТРУМЕНТА С ПЛАНЕТАРНЫМ ДВИЖЕНИЕМ

Рассматриваются вопросы, касающиеся определения величины изменений геометрических параметров режущей части комбинированного инструмента с планетарным движением. Последний предназначен для комбинированной обработки цилиндрического отверстия (сверление), фаски (зен-керование) и резьбы (резьбофрезерование).

Конструкция и принцип работы инструмента

Для получения глухих резьбовых отверстий в сплошном материале традиционно используют сверла, зенковки и метчики. Такая технология требует не только большого количества инструментов, но и больших затрат времени на изготовление одного отверстия. В этой связи на кафедре «Инструментальная техника и компьютерное моделирование» МГТУ «СТАНКИН» ведутся работы по созданию для этих целей комбинированного инструмента, не имеющего указанных недостатков.

Тгкой инструмент формирует отверстие за один рабочий цикл и в своей конструкции объединяет три указанных выше инструмента. Один из вариантов исполнения хсомбг. янровакного инструмента представлен на рис Л, Здесь торец передней части инструмент-? ьыдоляен подобно торцу сверла, так как его функцией является формирование отверстия под последующее нарезание резьбы. Периферия передней части имеет зубья как у острозаточеяной фрезы.

Резьбообразующая часть имеет затылование по профилю зуба. Одновременно с формированием передней частью инструмента выточки в отверстии она формирует профиль резьбы на всей ее длине.

Между резьбообразующей частью и хвостовиком находится часть инструмента, выполненная как коническая зенковка, функцией которой является формирование фаски на входе в отверстие.

Винтовые стружечные канавки - общие для передней, резьбообразующей и конической частей. Таким образом, конструкция такого инструмента объединяет в себе сверло, резьбовую фрезу и коническую зенковку.

Достоинство комбинированного инструмента заключается в уменьшении основного технологического времени, увеличении точности обработки и экономии инструментов. Его можно применять для

ния резьбовых отверстий; I - передняя часть; 2 --

резьбообразующая часть; 3 - коническая часть; 4 -стружечные канавки; 5 - хвостовик

ж

5

Рис.2. Последовательность обработки отверстия комбинированным инструментом

изготовления резьб в пластмассах и алюминиевых сплавах.

На рис.2 представлена последовательность обработки резьбового отверстия комбинированным инструментом.

1. Инструмент в исходном положении,

2. Сверление (рассверливание) сердцевины резьбового отверстия передней частью инструмента при одновременном изготовлении зенковкой фаски на входе в отверстие.

3. Обратный ход инструмента на величину, как минимум, шага резьбы.

4. Радиальная подача до номинального диаметра резьбы.

5. Изготовление всей длины резьбы винтовым фрезерованием спирали с диаметром, равном номинальному диаметру резьбы.

6. Радиальное перемещение инструмента в центр отверстия.

7. Обратный ускоренный ход из готового отверстия.

Определение углов ни режущем части инструмента

При работе инструмента углы на его режущих частях подвержены значительным изменениям. Это происходит вследствие непостоянства абсолютных величин векторов скоростей и их направлений, вызванных сложным движением инструмента.

Как известно, задний угол предназначен для устранения трения задней поверхности зуба о поверхность резания. При малом значении этого угла (статический задний угол) его истинное значение (кинематический задний угол) в определенный момент работы инструмента может снизиться до кулевого или даже до отрицательного значения, что может повлечь за собой превращение процесса резания в процесс пластического деформирования.

Передний угол предназначен для уменьшения нагрузки на режущую кромку в процессе резания. Он выбирается в зависимости от физико-механических свойств обрабатываемого материала и характеристики материала инструмента.

Некорректный выбор переднего и заднего углов может привести к значительному увеличению сил, действующих на инструмент, вплоть до его поломки. Особое внимание необходимо уделить определению кинематических задних углов, так как при их отрицательных значениях, как указано выше, процесс резания отсутствует.

Кинематические углы на зубьях резьбообразующей части инструмента

Кинематические задние углы

Зубья резьбообразующей части инструмента выполняются затылованными по профилю. Величина спада затылка по вершинам зубьев К должна обеспечить задний угол при вершине, равным 6°-8°. Профиль и форма зубьев резьбообразующей части представлены на рис.3.

Резьбообразующая часть инструмента участвует в работе при поперечном врезании инструмента и при планетарном резьбофрезеровании.

В процессе резания кинематические задние углы не должны быть меньше 2°...3°. На изменение задних углов при вершине оказывает влияние планетарное движение инструмента. Кинематические углы на боковых сторонах зубьев подвержены еще более значительным изменениям благодаря осевому движению инструмента. Приведенные ниже схемы и формулы для определения кинематических задних углов помогут в анализе этих изменений.

а б

Рис.3. Радиальное сечение резьбообразующей части инструмента (а); профиль зубьев (б)

Поперечное врезание инструмента (начало резьбофрезерования)

Схема этого процесса для режима «попутного» фрезерования (направление вращения инструмента вокруг своей оси и направление планетарного вращения оси инструмента вокруг оси отверстия совпадают) показана на рис.4.

Сечение 0-0 (с векторами скоростей)

А-А

0-0

- \ \

\

Я-Я

1чг

Г

Рис.4. Определение кинематических задних углов на режущих кромках резьбообразующей части комбинированного инструмента при радиальном врезании (а); задние углы на боковых сторонах профиля зуба (б).

На этом рисунке главный вид представляет собой сечение плоскостью, перпендикулярной оси обрабатываемого отверстия В этом сечении изображено положение оси инструмента Ои и положение оси заготовки (отверстия) Од во время поперечного врезания (крайнее положение). Зона контакта инструмента и заготовки, обозначенная на схеме через угол \|/тах, является максимальной зоной контакта при изготовлении резьбы. Поэтому

исследование изменений кинематических углов целесообразно проводить именно для

этой зоны. При положении оси инструмента в точке Ои режущая кромка произвольного зуба может находиться в любой точке дуги ABC. При этом из каждой точки этой дуги можно восстановить следующие векторы скоростей движения режущей кромки: УРаб - вектор окружной скорости главного рабочего движения;

Урез - вектор окружной результирующей скорости в плоскости, перпендикулярной к оси инструмента;

Vso - вектор скорости радиальной подачи инструмента.

Чтобы не вводить переводных коэффициентов в дальнейшем значения всех линейных размеров будем брать в миллиметрах.

Кинематический задний угол при вершине зуба равен

^кин.в. = ав "*"* ^доп.в. '

где ав - статический задний угол при вершине;

адопв - дополнительный задний угол (между векторами).

Для режима «попутного фрезерования» величину адоп в определим следующим образом.

Исходя из теоремы синусов запишем соотношения сторон треугольника векторов скоростей в произвольной точке ] дуги ABC: ~ -

5тадод,в=вш(90° + ¥тщ/2-¥])

Vso ^рез

где \j/max - максимальный угол контакта резьбообразующей части инструмента и

обрабатываемой поверхности.

Отсюда ■• -

* рез

Угол \j/¡ изменяется от 0 до \}/0тах.

Для режима «встречного фрезерования» соотношения в треугольнике ABC такие же,

но значения утла \|/j изменяются от ¥°тах до 0.

Далее определим величину максимального угла контакта \|/тах. Задачу его определения можно решить следующим образом.

Точка С (конечная точка зоны контакта) находится на пересечении окружности диаметра предварительного сверления (соответствует радиусу передней части инструмента гпч) и окружности радиуса

Координаты точки С в системе координат Хи¥и

Гхи=гфр.соз(90 °-¥j2)

[Уи = гфР * sm(90° - v|/j2).

Координаты точки С в системе Хд¥д

|хд=гфр-зт^2 ^

[Уд = Гфр " COS j2.

Учитывая, что для точки С: хд = хи, а уд = уи +Re, можно записать

х Дс = гфР * cos(90° - \|/j2); Уде ^ Re + %р sin(90° - 4^2)-

Угол \|/j2 - определяет положение точки ] на дуге ВС, причем свое нулевое значение он имеет в точке В.

При подстановке ряда значений ш j2 в систему (*), начиная от О. получим координаты точек окружности радиуса гпч. Уравнение этой окружности имеет следующий вид

Г2=х2+у2

пч Лд ^ У л '

Для точки С должно выполняться условие

2 2 2 Гпч ~ Хдс + Уде "

Значение угла \|/j2c, отвечающее этому условию, будет соответствовать половине максимального угла контакта инструмента и заготовки i|/max. Полная его величина

¥шах =2.\|/j2c.

Абсолютное значение вектора результирующей окружной скорости можно определить по теореме косинусов.

Попутное и встречное фрезерование:

мм

Vpe3 = Vvi6 + Vs: -2Vpa6 • Vso • cos(90°-epj + v|/raax /2),

мин

Абсолютное значение векторов скорости главного рабочего движения и скорости поперечного врезания:

г мм

¥раб =ЮГцю>

ФР:

Vso=o>Sr;

мин мм мин

где со - рабочая частота вращения инструмента, [мин"1];

8Г — величина поперечной (радиальной) подачи инструмента, приходящаяся на один оборот;

ГфР - радиус резьбообразующей части.

Радиальные задние углы на боковых сторонах зубьев резьбообразующей части инструмента определяются по формуле

'А* Л

щ = arctg

Фр vd,

tg«B

Нормальные к боковым сторонам зубьев задние углы можно определить по формуле

\

ani = arct§

Чр +

V ui

/

где с1фР - диаметр резьбообразующей части инструмента; ф -диаметр 1-ой точки на боковой

поверхности зуба; ав - кинематический задний угол при вершине зуба; - угол профиля для ьой точки.

Процесс резьбофрезерования

Схемы на рис.5 соответствуют режимам «попутного» и «встречного» фрезерования (направление вращения инструмента вокруг своей оси и направление планетарного вращения совпадают в первом случае и противоположны во втором).

На этих схемах вид А представляет собой сечение резьбообразующей части плоскостью, перпендикулярной к оси отверстия.

Здесь:

Упл - вектор окружной скорости планетарного вращения инструмента (остальные обозначения такие же, как и на схеме для поперечного врезания).

акин в - радиальный кинематический задний угол для вершины зуба:

^КИН.В. = ^В — -ДСП,. 5

где ав - статический задний угол при вершине;

адоп в - дополнительный задний угол (между векторами).

Знак «+» - для дуги АВ, а знак «-» - для дуги ВС,

В режиме «попутного фрезерования» режущая кромка инструмента может находиться в любой точке дуги ВС (реально еще и на части дуги АВ). Чтобы определить величину адоп в запишем соотношения сторон треугольника векторов скоростей в произвольной точке] дуги ВС:

апа^ _ 8т1ш°~адопв(^2 -аД0П,Б)|

или:

Тогда

У V

окр. пл окр.рез

^«доп.в =8Ш(180°-\^2) V V

окр. пл . окр.рез

окр.рез

Величина угла контакта инструмента и заготовки изменяется в пределах от 0 до

Для режима «встречного фрезерования» режущая кромка инструмента может находиться в любой точке дуги АВ (реально еще и на части дуги ВС) и указанные соотношения принимут вид

мае доп., = .

V У

• окр.пл , окр.рез

V

лкт» ПЛ •

а Вид А О'д),^ -Б

I уи Вид А

Сечение 0-0

(с векторами скоростей)

Задние углы на боковых сторонах

профиля зуба

А-А

Рис.5. Определение кинематических задних углов на режущих кромках резьбообра-зующей части комбинированного инструмента: а - попутное резьбофрезерование; б -встречное резьбофрезерование; в - траектория движения точки режущей кромки: г -задние углы на боковых сторонах профиля зуба

Величина угла контакта инструмента и заготовки изменяется от у°тах /2 до 0.

Определение максимального угла контакта для этого случая в пункте «поперечное врезание инструмента (начало резьбофрезерования)».

Абсолютное значение вектора результирующей окружности скорости можно определить по теореме косинусов. Попутное фрезерование:

Г мм

Чез = 4У1* + ~2УрабУпл -008(180°-^),

Встречное фрезерование:

мин

Чез = Каб+^-^рЛ-СОЗС^),

мм

мин

Абсолютное значение вектора окружной скорости планетарного движения

мм

МИН

где сош - частота планетарного вращения, [мин-1].

ю

« 6

Значение этой величины определяется, в свою очередь, через рабочую частоту вращения инструмента со и соотношение частот главного рабочего и планетарного вращения п. .

.....ш '

п = •

20 40 60 8 0 1 00 120 1 40 1 60 1 80 Угол контакта инструмента и заготовки,0

(0Ш=—,[мин-1]. п

_ г тж Как отмечалось выше, на из-

Рис.6. Изменение кинематических задних углов при вершинах 5

зубьев резьбообразующей части в процессе поперечного вре- менение задних углов на боковых зания при «попутном» фрезеровании резьбы 0=10мм, Р= 1,5 мм сторонах зубьев оказывает влияние осевая подача инструмента. Величина осевой подачи на один оборот планетарного вращения равна шагу резьбы изготавливаемого отверстия Р

8 = Р,

Скорость осевой подачи У5 будет равна

ММ

об"

мм

мин

Радиальные задние углы на боковых сторонах зубьев резьбообразующей части инструмента определяют по формуле:

'а,

аП| = аг^

фр ч*.

Щи*

втфр

где <1фр - диаметр резьбообразующей части инструмента, á\ -диаметр i-ой точки на боковой поверхности зуба, ав - кинематический задний угол при вершине зуба, - угол профиля для i-ой точки.

Угол ф1 определяется как сумма угла профиля ф0 и некоторого дополнительного угла

фдоп. Угол фдоп - это угол между

вектором результирующей окружности скорости и вектором полной результирующей окружной скорости режущей кромки

60 80 loo 120 140 160 180 инструмента. Угол контакта инструмента и заготовки,0 Абсолютная ВёЛИЧИНа BeKTO-

ра

Рис.7. Изменение кинематических задних углов при вершинах зубьев резьбообразующей части в процессе поперечного врезания при «встречном» фрезеровании резьбы D=10mm, Р= 1,5мм

ММ

^рез.п л/Yi + Vpea >

V _МИН_

Угол фдоп определяется как:

фдоп = arccos

рез

У

V р®3*11 у

ИЛИ

фдоп = arcíg

У

V Рез J

10 ^ 8 ' 6

I 4 ё

ж «

S 2

со=500 v=50x -i J мин v=2 / то 5

со=5Ш п=10 кГ^ m=5< Ш'

п=5

-20 0 20 40 60 80 100 Угол контакта инструмента и заготовки,0

10 8 > 6

о 0>

S

ш

w=5 ООО ) w=50 n=25 y 00 sil

Ю7

n-10 w=500( n=5

20

40 60

80 100

Угол контакта инструмента и заготовки,

Рис.8. Изменение кинематических задних углов при вершинах зубьев резьбообразующей части в процессе «попутного» фрезеровании резьбы 0=10мм,

Р= 1,5мм

Рис.9. Изменение кинематических задних углов при вершинах зубьев резьбообразующей части в процессе «встречного» фрезеровании резьбы В=10мм, Р=1,5мм

Таким образом, угол профиля для i-ой точки будет равен

Ф* =Фо ±Фдоп = s/2±arctg

V

V

V рез

0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 Высота зуба, считая от вершины, мм.

где г/2 - половина угла профиля зуба резьбообразующей части инструмента.

Знак «-» в формуле берется для стороны профиля, обращенной в направлении осевой подачи инструмента.

Изменения величин кинематических углов . на профиле резьбообразующей части, определенные по алгоритмам, изложенным выше, представлены на рис. 6-11. .

Резьба в отверстии М10 с шагом Р=1,5 мм; диаметр резьбообразующей части инструмента - 7,95 мм.; диаметр передней части - 8,35 мм.; половина угла профиля зуба - 30°. Высота рабочего участка профиля зуба в сечении Б-Б опре-Рис.10. Изменение кинематических нормальных деляется высотой профиля изготавливаемой задних углов на боковых сторонах профиля зуба резьбы (ГОСТ 9159-71 вред. 1991 г.). резьбообразующей части при радиальном вре- Рабочая частота вращения инструмента со-зании инструмента для D=10mm, Р= 1,5мм, ставляет 5000 мин"1.

w=5000 мин Для процесса поперечного врезания при

постоянной частоте вращения инструмента на изменение задних углов оказывает влияние величина подачи на 1 оборот, что показано на рис.6 и 7.

Для процесса планетарного резьбофрезерования при постоянной частоте вращения на изменение углов в большей степени влияет соотношение частот главного рабочег о и планетарного вращения инструмента (рис.8 и 9). Значения нормальных задних углов на левой и на правой сторонах профиля зуба показаны на рис Л 0 и 11. Такие графики получены для случаев минимальных значений кинематических задних углов на вершинах зубьев. Из рис. 10 следует, что при радиальном врезании инструмента задние углы на левой и правой сторонах зубьев резьбообразующего профиля одинаковые, а при резьбофрезеро-вании - эти углы различны (рис.11). На этом рисунке зоны между каждой парой графиков заштрихованы. Нижняя линия соответствует стороне профиля, обращенной в направлении осевого перемещения инструмента при резь-бофрезеровании.

Кроме этого, величина изменений боковых задних углов на профиле зависит от шага рис.ц. Изменение кинематических нормальных резьбы, который определяет значение осевой задних углов на боковых сторонах профиля зуба подачи. Это влияние в данной работе не ис- резьбообразующей части для D=10mm, Р= 1,5мм, следовалось.

0,4 0,6 0,8 1,0 1,2 ' 1,4 Высота зуба, считая от вершины, мм.

ш=5000мин"

В.И КОКАРЕВ, АЛ. РЫБАЛКО, Д.С. СИНЮКОВА, СМ ЮДИН

Выводы

1. На изменение величин кинематических задних углов на зубьях резьбообразую-щей части комбинированного инструмента оказывает влияние соотношение значений частот главного рабочего и планетарного движений, размеры резьбы и размеры отверстия, подготовленного для обработки.

2. На изменение кинематических задних углов на боковых сторонах профиля при прочих равных условиях оказывает влияние величина шага нарезаемой резьбы.

3. Приведенные в работе формулы позволяют оценить степень изменений задних углов для конкретных случаев обработки.

4. На основе выполненного исследования могут быть установлены диапазоны допустимых режимов обработки резьбы в отверстии, обеспечивающие благоприятные углы режущего клина.

5. При обработке отверстия с резьбой М10х1,5 и частотой вращения инструмента 5000 мин"1 минимальная частота планетарного вращения равна 200 мин'1. Величина подачи инструмента при радиальном врезании не должна превышать 0,20-0,25 мм, а кинематические задние углы на зубьях резьбообразующей части равны

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Ану рьев В . И. «Справочник конструктора-машиностроителя», т. 1., -М.:Машиностроение,

1980г.

2. «Werkstatt und Betrieb», 120 (1987) 10.

3. «Maschinenmarkt», Wuzburg 101 (1995) 41.

Московский государственный технологический университет «СТАНКИН»

УДК 621.952.8

ВЖ КОКАРЕВ, АЛ. РЫБАЛКО, ДС СИНЮКОВА, СИ ЮДИН

ЭКОНОМИЧЕСКОЕ ОБОСНОВАНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПРОМЫШЛЕННОГО ПРОИЗВОДСТВА СТАНКОВ ДЛЯ ВИБРОЭЖЕКТОРНОГО СВЕРЛЕНИЯ

ГЛУБОКИХ ОТВЕРСТИЙ

Выполнен анализ рынка станков глубокого сверления, у которых диаметр и глубина сверления находятся в диапазонах соответственно 2-30 мм и до 500 мм. Обоснована необходимость освоения выпуска станков для виброэжекторного сверления глубоких отверстий конструкции МГТУ

«СТАНКИН».

Определение емкости рынка по рассматриваемому типу оборудования

Анализ проводился с учетом того, что до 1990 года система экспорта/импорта станков в нашей стране осуществлялась централизованно, преимущественно через два внешнеэкономических объединения: «Станкоимпорт» и «Автопромимпорт». При этом в результате