CC BY
41
УДК 621.09.02.001.66
СОЗДАНИЕ КОНСТРУКЦИИ СПЕЦИАЛЬНОГО ИНСТРУМЕНТА
ДЛЯ ФОРМООБРАЗОВАНИЯ КАНАВОК В ГЛУБОКИХ
ОТВЕРСТИЯХ
Ю.Е. Петухов, П.В. Домнин, А. А. Тимофеева
Разрабатывается канавочный резец для обработки канавок в глубоких отверстиях. Основным назначением данного инструмента является изготовление внутренних канавок в отверстиях деталей и агрегатах атомного энергомашиностроения, таких как коллекторы и трубные доски теплообменных аппаратов.
Ключевые слова: функциональные связи, САПР, база знаний, глубокое отверстие, канавка, резец, формообразование.
В деталях и узлах парогенераторов атомных ректоров, химических и нефтехимических аппаратов имеется большое количество глубоких отверстий, где отношение длины к диаметру больше 5. При этом к отверстиям предъявляются высокие требования по точности изготовления и качеству поверхности.
При изготовлении узлов соединения теплообменных труб одной из важнейших и трудоемких операций является процесс формообразования глубоких отверстий. Обработка глубоких отверстий в коллекторах и трубных досках в основном производится на станках, обладающих лишь осевой подачей, что затрудняет нарезание внутренней канавки, поэтому разработка конструкции инструмента, работающего только от осевой подачи, является актуальной задачей.
Анализ большого количества литературных источников [1-14] позволил определить установленные как внутренние функциональные связи между факторами, так и внешние - между факторами и показателями процесса формообразования. Проведенные аналитические исследования позволили сформировать схему взаимосвязей основных факторов и показателей процесса формообразования канавок в глубоких отверстиях (рис. 1).
Значение факторов, влияющих на процесс формообразования канавок, определяется степенью их влияния на показатели определяющие характеристики инструмента и обрабатываемой детали, а также на технико-экономические показатели процесса обработки.
Наиболее существенным критерием для оценки степени формализации процесса, является объем и уровень исследованных и установленных функциональных связей, как между факторами (МФ), так между факторами и показателями (МФП) процесса формообразования канавок в глубоких отверстиях.
Схема функциональных связей представляет собой граф, который может быть описан п-мерной матрицей инциденций.
Рис. 1. Схема основных факторов и показателей процесса формообразования канавок в глубоких отверстиях канавочным резцом
С целью наглядного изображения была построена двухмерная матрица инциденций связей между параметрами конструкции инструмента и показателями процесса формообразования (рис. 2, а) (МФП), а также матрица инциденций связей между параметрами конструкции и условиями эксплуатации (рис. 2, б) (МФ).Элементы матрицы обозначены цифрой 1 в случае, когда связь формализована, и 0 когда связи нет или не установлена.
Матрицы инцинденций (рис. 2) представлены в виде пульта графического интерфейса управления базой знаний процесса формообразования. Элементы матрицы представлены в виде клавиш трех цветов, содержание которых определяется степенью формализации функциональных связей. Зеленым цветом обозначены элементы, содержащие полностью формализованные связи (математические зависимости), желтым цветом элементы, содержащие связи, формализованные не полностью (эмпирические зависимости, рекомендации, табличные банные), красным цветом обозначены элементы, указывающие на то, что связь еще не установлена или отсутствует. Такой подход к организации базы знаний удобен и способствует созданию на этой основе САПР инструмента. Кроме того, приведенная система позволяет оценить степень формализации и качество используемых функциональных связей.
1 2 3 4 5 б 7 8 9 10 п
т □ п ЕЙ □ □ п и
и И 0 1 0 1 И □ п ш у у Ш
4 5 п И П п п П б п п 1 1 1 И И да □
ы у п
1 0 п п п ГИ 0
6 П 1 О 1171 1 п ГЕ 0 1
7 ш п ш у п 1 И ЕЖ111II11
8 0 И И П п и 1ИИИ1 □
* м гтл ш 0 □ ГГП Гша
10 П □ п П
11 □ п 1 птл □ п ГО' у
12 0 1 '■"■'! □ □ 0 III п
13 и ■ НЕ п и ПК III у
14 □ □ у п 1 □ п
15 П1 1 »1 1 1 ] п гп !■ ■ 1 1
а
1 2 3 4 5
1 0 0 0 0 0
2 1 1 1 0 0
3 0 0 1 1 0
4 1 0 0 1 1 0
5 1 1 0 0 0
6 0 1 0 1 0
7 0 0 0 0 0
8 0 0 0 0 1 0 1
9 1 0 1 1 1 0 1
10 1 1 1 1 1
б
Рис. 2. Матрицы функциональных связей: 1 - полная формализация связи между факторами и показателями;
1 - эмпирическая связь между факторами и показателями;
| | - формализация связи между факторами и показателями
отсутствует
Матрицы инцинденций могут также служить ориентиром в направлении развития исследований процесса формообразования. При этом сами матрицы связей МФ и МФП, по мере накопления знаний, будут претерпевать изменения, как по составу факторов и показателей, так и по глубине формализации связей между ними.
В результате исследований, установления функциональных связей между факторами и между факторами и параметрами процесса формообразования при выполнении технического проекта по разработке конструкций специального инструмента для обработки глубоких отверстий в деталях и агрегатах атомного энергомашиностроения была разработана конструкция канавочного резца (рис. 3).
Основным назначением инструмента является изготовление внутренних канавок в отверстиях таких деталей, как коллекторы и трубные доски теплообменных аппаратов.
В корпусе выполнен угловой паз, стороны которого образуют центральный угол п. В паз установлен режущий элемент, выполненный в виде участка цилиндрического сектора с углом ю не более 90о, а указанный поворот осуществляется вокруг оси 5, расположенной эксцентрично относительно оси корпуса на величину Н. На периферии режущего элемента образованы канавки для размещения стружки, радиус г+\ дна которых выпол-
нен уменьшающимся от 2 зуба к последующему, при этом канавки образуют зубья, вершины которых в рабочем положении режущего элемента удалены от внешнего диаметра опорных элементов на различном расстоянии с превышением последующего зуба относительно предыдущего на величину А/. Режущий элемент в рабочем положении контактирует со стороной углового паза корпуса расположенной под углом 15...20° относительно линии, проходящей через ось поворота режущего элемента и ось корпуса.
5
5
щ г г
тг
Ю-
А-А
S-U
¿1
Аз
_ <W
----:М
Рис. 3. Конструкция канавочного резца
Приведенные выше параметры определяются по зависимостям: Л = 90°+ со, # = (0.1...0.25)1), где I) - внешний диаметр хвостовика.
>7+1 =
d,
orne
■ Ai.
i+1
1 (2-3)
где / - номер зуба; ¿/отв - диаметр обрабатываемого отверстия;
Ау- = а : , /
где 7 - номер зуба; а - глубина нарезаемой канавки в отверстии; к - коэффициент учитывающий распределение нагрузки на последующие зубья режущего элемента, задается в диапазоне 0.16...0.22; 2- число зубьев на режущем элементе, которое определяется по формуле:
2 = /пу
Ь
+1.
\и /
где 1т> - функция, оставляющая целую часть числа, отбрасывая дробную; Ь - коэффициент, учитывающий вязкость обрабатываемого материала и задается в диапазоне 0.01...0.2.
Хвостовик инструмента наворачивается на специальную оправку для установки и крепления инструментов. Данный способ крепления позволяет минимизировать биения и зазоры в узле крепления режущего инструмента.
Инструмент при помощи осевой подачи подводят к обрабатываемому отверстию в закрытом состоянии, и происходит подача инструмента на необходимую глубину в отверстие. Затем инструменту сообщается вращение и под действием сил тяжести раскрывается режущий элемент 4, зубья 8 которого врезаются в поверхность отверстия, при этом каждый зуб врезается на определенную глубину и снимает определенный слой материала. После завершения обработки (достаточно 1,5 - 2 оборота инструмента) происходит вращение инструмента в обратном направлении с последующим закрытием режущего элемента 4 под действиями сил тяжести и сил трения. Затем инструмент выводится из обработанного отверстия.
Ниже приведен пример расчета исходных параметров, выполненный на основании установленных в результате исследований функциональных взаимосвязей. Примем ю=45°, что соответствует требованиям конструкции. Тогда центральный угол
ц = 90° + ю = 90° + 45° = 135° .
Н зависит от глубины нарезаемой канавки а (чем больше значение Н, тем больше вылет режущего элемента). Величина Н обеспечивает выход режущего элемента на необходимую величину относительно внешнего диаметра хвостовика Б=15 мм
Н = 0.2Б = 0.2*15мм = 3мм.
Далее вычисляем количество зубьев режущего элемента. Глубина нарезаемой канавки а=0.55 мм, берем максимальное значение коэффициента, учитывающего вязкость обрабатываемого материала Ь=0.2, так как обрабатываемым материалом является высоколегированная сталь и при ее обработке образуется сливная стружка.
„ . (а ^ 1 . (0.55' 2 = ту — +1 = ту
К Ь
+1 = 3.
0.2
Величина припуска, снимаемого каждым зубом, вычисляется по формуле:
(1 л - + к
-Л 2 )
Д/ = а
г
Коэффициент к принимаем равным 0.2, чтобы добиться нужного распределения припуска между зубьями, которое в процентном соотношении выглядит следующим образом: 55 %:27 %:18 %.
- + 0.21 [~ + 0'2]
А1 = 0.55—-^ = О.Злш; А2 = 0.55^-= 0.15мм;
1 1 2 2
Г1 + 0.2)
А3 = 0.55—-^ = 0.1 мм.
3 3
Радиус дна канавки между соседними зубьями вычисляется по формуле
_ "отпв ' ^1+1
7+1 V (2-3) '
где ¿/охв =16.25 мм (диаметр обрабатываемого отверстия).
г2=^16'252°—= 11мм; ^ — = 0.9 мм.
На основании расчетов получили инструмент для обработки отверстий диаметром 16.25 мм.
Далее был изготовлен опытный образец канавочного резца. Фотография инструмента представлена на рис. 4.
Рис. 4. Канавочный резец
В заключение необходимо отметить, что конструкция канавочного резца, при относительной простоте, позволяет производить обработку в сложных условиях. Основные преимущества данного инструмента обеспе-
270
чиваются конструктивными элементами характерными для протяжного инструмента, что позволяет распределить нагрузку как на стадии врезания, так и в процессе обработки.
Опытные образцы канавочных резцов прошли испытания работоспособности на станках типа 2BW500-3-1000, HTBIIIWE при обработке деталей из стали 08Х18Н10Т-БД. Испытания проводились на ОАО «Подольский машиностроительный завод» (ЗиО)
НИР поддерживается Федеральным государственным бюджетным учреждением «Фонд содействия развитию малых форм предприятий в научно-технической сфере».
Список литературы
1. Петухов Ю.Е. Формообразование численными методами. М.: «Янус-К», 2004. 200 с.
2. Петухов Ю.Е., Домнин П.В., Тимофеева А. А. Разработка конструкции инструмента для прорезания канавок в отверстиях на основе анализа функциональных связей между параметрами конструкции и эксплуатационными показателями процесса обработки // Вестник МГТУ Станкин. 2015. № 2 (33). С. 12-16.
3. Петухов Ю.Е., Домнин П.В. Способ формообразования фасонной винтовой поверхности стандартным инструментом прямого профиля // Вестник МГТУ «СТАНКИН». 2011. №3. С. 102-106.
4. Петухов Ю.Е., Водовозов А.А. Математическая модель криволинейной режущей кромки спирального сверла повышенной стойкости // Вестник МГТУ Станкин. 2012. № 3. С. 28-32.
5. Колесов, Н.В., Петухов Ю.Е. Два типа компьютерных моделей режущего инструмента // СТИН. 2007. №8. С. 23-26.
6. Петухов Ю.Е. Некоторые направления развития САПР режущего инструмента // СТИН. 2003. №8. С. 26-30.
7. Петухов Ю.Е., Водовозов А.А. Затачивание по передней поверхности спиральных сверл c криволинейными режущими кромками // Вестник МГТУ Станкин. 2014. № 1 (28). С. 39-43.
8. Петухов Ю.Е., Домнин П.В. Определение задних кинематических углов при обработке винтовых фасонных поверхностей стандартными фрезами прямого профиля //Вестник МГТУ Станкин. 2014. № 2 (29). С. 27-33.
9. Волосова М.А., Григорьев С.Н. Режущие пластины из керамики: влияние абразивной обработки и покрытий на их эксплуатационные показатели // Вестник МГТУ Станкин. 2011. № 2. С. 68-74.
10. Волосова М.А., Григорьев С.Н., Могилевский А.М. Исследование эффективности нанесения нанопокрытий на концевые твердосплавные фрезы // Вестник МГТУ Станкин. 2011. Т. 2. № 4. С. 24-30.
11. Современные методы решения задач формообразования сложного режущего инструмента / В. А. Гречишников, П.В. Домнин, В. А. Косарев [и др.] // СТИН. 2013. № 12. С. 6-11.
12. Волосова М.А., Надыкто А.Б., Ошурко В.Б. Атомно-молекулярное конструирование: разработка на базе центра коллективного пользования МГТУ Станкин» перспективных технологий создания материалов с уникальными свойствами для нужд отечественной промышленности // Вестник МГТУ Станкин. 2014. № 4 (31). С. 16-26.
13. PetukhovYu.E., Movsesyan A.V. Determining the shape of the back surface of disc milling cutter for machining a contoured surface // Russian Engineering Research. 2007. Vol. 27. № 8. P. 519 - 521.
14. Петухов Ю.Е., Домнин П.В., Тимофеева А.А. Патент на изобретение №2574627/ Инструмент для обработки канавок. 2014.
Петухов Юрий Евгеньевич, д-р техн. наук, проф., u.hetuhov@stankin.ru, Россия, Москва, Московский государственный технологический университет «Станкин»
Домнин Петр Валерьевич, канд. техн. наук, доц., domninarambler.ru, Россия, Москва, Московский государственный технологический университет «Станкин»
Тимофеева Анна Александровна, асп., annagutgutaimail.ru, Россия, Москва, Московский государственный технологический университет «Станкин»
CREATING THE DESIGN SPECIAL TOOL FOR FORMING GROOVES IN DEEP HOLES
Y.E. Petuhov, P. V. Domnin, A.A. Timofeeva
Devoted to developing a recessing tool for grooving in deep holes. The main purpose of this tool is to produce internal grooves in the holes ofparts and units of nuclear power engineering, such as headers and tube sheets of heat exchangers.
Key words: functional communication, CAD, knowledge base, deep hole, groove cutter, forming.
Petukhov Yury Evgenevich, doctor of technical science, professor, u. hetuhov@,stankin. ru, Russia, Moscow, Moscow State University of Technology «Stankin»
Domnin Petr Valerevich, candidate of technical science, docent, dom-ninarambler. ru, Russia, Moscow, Moscow State University of Technology «Stankin»
Timofeeva Anna Alexandrovna, postgraduate, annagutgut@,mail. ru, Russia, Moscow, Moscow State University of Technology «Stankin»
