CC BY
2
23. Пушкарев А.Ю., Омельченко В.А., Раменская Е.В. Влияние вылета инструмента на погрешность обработки при фрезеровании // Актуальные проблемы авиации и космонавтики. 2018. Vol. 1. № 14. C. 52-54.
24. Производительный антивибрационный инструмент Sandvik Coromant. Официальный сайт компании Мир Станочника [Электронный ресурс] URL: https://www.mirstan.ru/files/catalogs/sandvik/silent tools.pdf (дата обращения: 13.10.2023).
25. Универсальные фрезы. Официальный сайт компании Мир Станочника [Электронный ресурс] URL: https://mirstan.ru/novosti/universalnye-frezy-coromill-plura (дата обращения: 15.11.2023).
Яцун Елена Ивановна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет,
Зубкова Оксана Сергеевна, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Курск, Юго-Западный государственный университет
INVESTIGATION OF THE TOOL SYSTEM DURING BORING AND MILLING WITH A LARGE DEPARTURE
E.I. Yatsun, O.S. Zubkova
The study presents the possibilities of engineering dynamic analysis in accordance with the finite element method (FEM), demonstrated on a 3D virtual prototype of an anti-vibration holder for a multi-purpose machine during boring and milling. The analysis was carried out using the SolidWorks Simulation CAE system. In practice, anti-vibration tools and mandrels are used as an alternative approach in the production of parts with a large tool overhang to achieve the desired dimensional accuracy. The use of conventional tool systems with a large overhang can lead to unwanted vibration that occurs during the cutting process, which impairs the quality of surface treatment and dimensional accuracy. Prolonged operation in vibration conditions can lead to premature wear or breakage of the tool.
Key words: anti-vibration holder, dynamic rigidity, damping, virtual engineering, modal analysis, high-speed
milling.
Yatsun Elena Ivanovna, candidate of technical sciences, docent, el.yatsun@gmail. com, Russia, Kursk, Southwestern State University,
Zubkova Oksana Sergeevna, candidate of technical sciences, docent, zubkova-oksana@bk. ru, Russia, Kursk, Southwestern State University
УДК 621.9
DOI: 10.24412/2071-6168-2024-3-631 -632
ОПРЕДЕЛЕНИЕ ВЛИЯНИЯ ОСНОВНЫХ ГЕОМЕТРИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ КОНЦЕВЫХ ФРЕЗ НА ВЕЛИЧИНУ МИНИМАЛЬНОГО ВЫЛЕТА ЗАГОТОВКИ
М.К. Бельтюков, Д.С. Макашин
В статье произведен анализ и определен уровень значимости критериев, влияющих на величину минимального вылета заготовки при операции изготовления осевого режущего инструмента. В статье представлены уравнения регрессии зависимости длины заготовки при шлифовании концевых фрез от 5 до 20 мм. Получены графики зависимости длины вылета от угла спирали и переднего угла винтовой канавки для кругов разных диаметров. Анализ полученных данных показал, что на минимальный вылет заготовки для фрез диаметром от 5 до 20 мм в большей степени влияет величина переднего угла. Причем наибольшее влияние переднего угла фиксируется при угле спирали винтовой канавки 0 градусов. Получены методические указания для выбора диаметра шлифовальных кругов для обеспечения минимальной длины заготовки.
Ключевые слова: моделирование, шлифование, концевой инструмент, винтовая канавка, уравнение регрессии, металлообработка, технология.
При проектировании осевого режущего инструмента, особо важно стоит вопрос подбора оптимальной длины заготовки. Общая длина заготовки (ОЛЕ), с точки зрения технологического процесса, подразделяется на длину вылета заготовки из патрона (Ер) и длину зажимной части (Ее) (рис. 1). Длина зажимной части зависит от типа используемого патрона, и её величина выбирается исходя из рекомендаций производителя оснастки. Вылет заготовки из патрона, в свою очередь, существенно влияет на стабильность и безопасность процесса изготовления инструмента [1]. Слишком большая величина вылета снижает общую жесткость системы СПИД (станок, приспособление, инструмент, деталь) и способствует возникновению вибраций, которые в свою очередь ухудшают чистоту поверхности изделия и существенно повышают риск механического разрушения шлифовального круга [2-4]. Вместе с тем, большая величина вылета увеличивает биение заготовки, снижая геометрическую точность изделия [5].
При проектировании режущего инструмента, особо важно стоит вопрос подбора оптимальной длины заготовки [6]. Конструктору требуется достигнуть компромисса, обеспечивая следующие требования:
- оптимальная длина зажимной части;
- отсутствие столкновений между узлами станка при изготовлении инструмента;
- минимизация общей длины заготовки, с целью экономии инструментального материала.
В процессе расчета величины минимального вылета заготовки Lp min, учитываются основные параметры геометрии инструмента и технологического процесса шлифования, а именно:
- диаметр концевой фрезы (Оф);
- угол наклона винтовой канавки концевой фрезы (а);
- передний угол винтовой канавки концевой фрезы (у);
- диаметр шлифовального круга (Окр).
Для шлифования винтовых канавок концевых фрез, в общих случаях используются шлифовальные круги формы 1A1 со стандартными диаметрами 75, 100 и 125 мм (рис. 2).
'//Ш W/A
Dh V
Рис. 2. Круг прямого профиля формы 1А1
Считается, что основным приемом уменьшения величины вылета заготовки является применение шлифовальных кругов с меньшим диаметром. Но следует учитывать, что уменьшение диаметра шлифовального круга резко сокращает эффективность шлифования. Это связано с уменьшением окружной скорости и сокращением количества абразивных зерен на рабочей поверхности круга меньшего диаметра. Следовательно, износ такого круга будет происходить значительно быстрее.
Задача исследования - определить зависимость влияния основных геометрических параметров концевых фрез на минимальный вылет заготовки, а также оценить целесообразность применения кругов меньшего диаметра.
Изготовление режущего инструмента предполагает последовательную обработку рабочих поверхностей изделия, таких как винтовая канавка, задние углы на диаметре и торце, подточка торца, формирование угловой фаски/радиуса [7, 8]. Наибольшее влияние на вылет заготовки оказывают характеристики винтовой канавки инструмента [9-12]. Это связано с тем, что в процессе вышлифовки, рабочие узлы станка сильнее всего смещаются относительно друг друга. В связи с этим, для исследования было проведено моделирование именно процесса шлифования винтовой канавки концевой фрезы.
Программное обеспечение (далее ПО) ANCA ToolRoom предназначено для проектирования режущего инструмента, с последующим автоматизированным написанием управляющей программы для многокоординатных шлифовально - заточных станков с ЧПУ (числовым программным управлением). Функционал ПО позволяет рассчитать величину минимального вылета заготовки из патрона, учитывая геометрические параметры модели режущего инструмента и выбранной технологической оснастки (рис. 3, рис 4). Для проведения исследования, были смоделированы экспериментальные модели концевых фрез для всех возможных комбинаций геометрических параметров (табл. 1) и получены данные в виде величины минимального вылета заготовки. Величины диаметра сердцевины фрезы (Dc) и длины канавки (Lf), были приняты из стандартных значений для инструментов короткой серии.
Minimum Protrusion 1 Щ
Original Calculated Difference
Distance from collet 45.000 41.498
-3.502
Distance from clamp
Safety gap 0.000
П Show calculated minimum protrusion i Calculate ¡
Рис. 3. Окно расчета минимального вылета заготовки из патрона в ПО ANCA ToolRoom
Обработка результатов эксперимента проводилась с помощью программного пакета для обработки статистических данных Minitab. Полученные данные анализировались по группам, отсортированным на основании диаметра фрез.
Для фрез диаметром 5 мм. по результатам проведенных опытов и после отсеивания согласно критерию Стьюдента не значащих коэффициентов было получено следующее уравнение регрессии (1) и графики зависимостей (рис. 5, рис. 6).
Ьрты = 18.14 - 0.2718 ы + 0.2659 у + 0.1092 Окр + 0.00669 ш2 - 0.00242 ш * Окр, (1)
Из уравнения (1) видно, что наиболее значимыми коэффициентами являются угол спирали винтовой канавки и передний угол в равной степени.
Рис. 4. 3d модель заготовки в ПО ANCA ТооШоот
Таблица 1
Входные данные эксперимента_
Количество зубьев концевой фрезы, (г) 2
Диаметр концевой фрезы, (Оф) 5 10 15 20
Угол наклона спирали винтовой канавки, (Ю) 0 15 30 45
Передний угол винтовой канавки, (у) 0 5 10 20
Диаметр круга, (Окр) 75 | 100 1 125
Диаметр сердцевины концевой фрезы, (Ос) 40% Dф
Длина винтовой канавки, (Ь) 2*Dф
Рис. 5. Зависимость минимального вылета ^р тт) от переднего угла (у) при углах спирали винтовой канавки (ы) от 0 до 45 градусов для шлифовальных кругов диаметрами 75,100 и 125 мм
На графиках зависимости (рис. 5, рис. 6) видно, что при угле спирали винтовой канавки 0 градусов прослеживается наибольшая разница в вылете заготовки для кругов разных диаметров. Соответственно, при использовании круга диаметром 75 мм, вылет заготовки будет наименьшим. Влияние же переднего угла для кругов разных диаметров, на величину вылета выражено в меньшей степени. Стоить отметить, что в диапазоне углов спирали винтовой канавки от 15 до 45, это влияние сведено к минимуму.
Для фрез диаметром 10 мм. по результатам проведенных опытов и после отсеивания согласно критерию Стьюдента незначащих коэффициентов было получено следующее уравнение регрессии (2) и графики зависимостей (рис. 7):
Ьр т1п = 25.29 - 0.1015 ы + 0.1416 у + 0.0881 Окр + 0.00382 ш2 - 0.00284 ш*у- 0.001947 ы * Окр, (2)
Для фрез диаметром 15 мм. по результатам проведенных опытов и после отсеивания согласно критерию Стьюдента незначащих коэффициентов было получено следующее уравнение регрессии (3) и графики зависимостей (рис. 8):
тш = 33.21 - 0.0061 ш + 0.1262 у + 0.0629 + 0.002244 ш2 - 0.00184 ш*у- 0.001330^ * £>кр, (3)
35 35
с 30 Е о. 1 25 2 \ с 30 Е а 1 25 - 2 *
Nv и--,!""---,..
20 20
0 15 30 45 0 15 30 45
-*- 75 -М- 100 -+ 125 Округа 75 -■- 100 125
Рис. 6. Зависимость минимального вылета (Lpmm) от угла спирали винтовой канавки (о) при передних углах (у) от 0 до 20 градусов для шлифовальных кругов диаметрами 75,100 и 125 мм.
U) = 0 о> = 15
38 38
36 36
1 3 34 1 а. 34
1 32 2 30 | 32 2 30
28 28
0 5 10 20 0 5 10 20
V Y
Округа 75 -■- wo 125 Округа 75 В НЮ ■* 125
и =30
38 38
36 36
I о. 34 л I О. 34
О "В
S 32 2 _..... £ 32 2 30 28
28 -, - ~ —
0 5 10 20 0 5 10 20
V ¥
Округа 75 -а- wo -»■125 Округа ■*■ 75 »100 » 125
Рис. 7. Зависимость минимального выьлета (Lp min) от переднего угла (у) при углах спирали винтовой канавки (ы) от 0 до 45 градусов для шлифовальныш кругов диаметрами 75,100 и 125 мм.
Для фрез диаметром 20 мм. по результатам проведенных опытов и после отсеивания согласно критерию Стьюдента не значащих коэффициентов было получено следующее уравнение регрессии (4) и графики зависимостей (рис. 9):
= 41.612 - 0.0836 ш + 0.128 у + 0.04029 D + 0.0001367 ш2 - 0.00087 ш * DK
(4)
Полученные данные показывают, что для фрез диаметром от 10 до 20 мм в уравнениях регрессии наиболее значимым коэффициентом является передний угол. На графиках зависимости видно, что при угле спирали винтовой канавки 0 градусов прослеживается наибольшая разница в вылете заготовки для кругов разных диаметров, а при углах от 15 до 45 градусов, она сводится к минимуму.
Рис. 8. Зависимость минимального вылета (Lp min) от переднего угла (у) при углах спирали винтовой канавки (ы) от 0 до 45 градусов для шлифовальных кругов диаметрами 75, 100 и 125 мм.
^ 75 ■ IOJ 125
• Ii № "'XI -»125
Рис. 9. Зависимость минимального вылета (Lp min) от переднего угла (у) при углах спирали винтовой канавки (ы) от 0 до 45 градусов для шлифовальныш кругов диаметрами 75,100 и 125 мм.
Анализ показывает, что на минимальный вылет заготовки для фрез диаметром от 5 до 20 мм в большей степени влияет величина переднего угла. Причем, наибольшее влияние переднего угла фиксируется при угле спирали винтовой канавки 0 градусов. Согласно анализу, для фрез с малым углом (до 15 градусов), наиболее целесообразно использовать шлифовальные круги диаметром 75 мм. Для остальных же случаев целесообразнее использовать круги большего диаметра, ввиду их большей жесткости, увеличенной производительности и большей возможной толщине абразивного слоя.
Список литературы
1. Шамарина Е.В. Использование средств трехмерного геометрического моделирования для профилирования дереворежущих фрез с винтовыми стружечными канавками // Е. В. Шамарина, В. И. Мелехов, Л. В. Кремлева // Актуальные проблемы лесного комплекса. 2009. № 24. С. 177-181.
2. Кондрашов А.Г., Давлетшина Г.К., Заиров Б.Ф., Заиров Л.Ф. Обработка стружечных канавок угловых фрез // Инновационные машиностроительные технологии, оборудование и материалы - 2016 (МНТК «ИМТОМ-2016»): Материалы Международной научно-технической конференции. Казань: АО «Казанский научно-исследовательский институт авиационных технологий», 2016. Часть 1. С. 95-99.
3. Щегольков Н.Н. Профилирование нецилиндрических винтовых поверхностей стружечных канавок фасонных фрез методом следа // СТИН. 2016. № 4. С. 7-13.
4. Богуцкий В.Б., Шрон Л.Б., Гордеева Э.С., Буров А.В. Кинематический анализ процесса шлифования стружечных канавок // Ученые записки Крымского инженерно-педагогического университета. 2013. № 40. С. 80-86.
5. Баландин А.Д. Новый метод получения стружечных канавок на концевых фрезах / А. Д. Баландин, Б. Д. Даниленко // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2014. № 10(655). С. 80-83.
6. Сунгатов И.З. Разработка конструкторско-технологической модели сферической фрезы с винтовыми стружечными канавками для САПР ТП // Кузнечно-штамповочное производство. Обработка материалов давлением. 2020. № 1. С. 37-39.
7. Мальков О.В. Профилирование стружечных канавок резьбовых фрез / О. В. Мальков, И. А. Павлючен-ков, В. Н. Козяр // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2018. № 3(696). С. 3-13.
8. Акиншев А.С. Моделирование геометрии стружечных канавок спиральных сверл средствами Autodesk Inventor / А. С. Акиншев, А. Л. Климентьев, А. М. Гусаров // Тезисы докладов 50-й международной научно-технической конференции преподавателей и студентов, посвященной году науки. Витебск: Витебский государственный технологический университет, 2017. С. 181.
9. Петухов Ю.Е. Компьютерное моделирование обработки винтовой канавки на заготовке концевой фрезы / Ю. Е. Петухов, П. В. Домнин // Известия МГТУ МАМИ. 2011. № 2(12). С. 156-164.
10. Литвинов В.В. Мехатронные системы, применяемые для обработки стружечных канавок // Вестник Волжского университета им. В.Н. Татищева. 2009. № 13. С. 32-40.
11. Карельский А.С. Исследование геометрических параметров резьбовых фрез с винтовыми стружечными канавками // Будущее машиностроения России: Сборник докладов Десятой Всероссийской конференции молодых ученых и специалистов (с международным участием). Москва: Московский государственный технический университет имени Н.Э. Баумана (национальный исследовательский университет), 2017. С. 6-8.
12. Мальков О.В. Моделирование стружечных канавок резьбовых фрез в программной среде ANCA TOOLROOM // О. В. Мальков, И. А. Павлюченков // Технологическое обеспечение машиностроительных производств: Сборник научных трудов I Международной заочной научно-технической конференции. Челябинск: Издательский центр ЮУрГУ, 2014. С. 560-565.
13. ANCA iGrind User Manual version 31, 2009
Бельтюков Максим Константинович, магистрант, [email protected], Россия, Омск, Омский государственный технический университет,
Макашин Дмитрий Сергеевич, канд. техн. наук, доцент, [email protected], Россия, Омск, Омский государственный технический университет
DETERMINING THE INFLUENCE OF THE BASIC GEOMETRICAL PARAMETERS OF END MILLS ON THE VALUE OF
THE MINIMUM CLAMPING OF THE WORKPIECE
M.K. Beltyukov, D.S. Makashin
The article examines and evaluates the importance of different criteria that impact the minimum workpiece outreach when producing axial cutting tools. It presents regression equations depicting the relationship between the length of workpieces and the grinding of end milling cutters ranging from 5 to 20 mm. The graphs demonstrate the correlation between the reach length and the helix and front angles of the helical groove for circles of varying diameters. The data analysis shows that the minimum reach of workpieces for milling cutters ranging from 5 to 20 mm in diameter is primarily affected by the front angle value. The front angle's greatest impact is observed at 0 degrees helix angle of the helical groove. The document contains guidelines for selecting grinding wheel diameters to ensure minimum workpiece length.
Key words: modeling, grinding, end tool, helical flute, regression equation, metalworking, technology.
Beltyukov Maxim Konstantinovich, undergraduate, maxbeltyukov@yahoo. com, Russia, Omsk, Omsk State Technical University,
Makashin Dmitry Sergeevich, candidate of technical science, docent, dima. makashin@gmail. com, Russia, Omsk, Omsk State Technical University
