CC BY
30
МЕШ
ЛЛООБРАБОТКА
УДК 514.18+621
Технологические схемы формообразования сложных поверхностей деталей
Ю. Н. Вивденко, А. А. Ляшков, А. Н. Шутов, С. М. Егоров
Ключевые слова: автоматизированное проектирование, геометрическое моделирование, предварительная обработка, удаление припуска, эффективность решений.
Припуски на предварительную и окончательную обработку
Основные представления о методологии геометрического моделирования процессов формообразования сложных поверхностей деталей, предназначенной для выбора наиболее эффективных процессов размерной обработки на этапах предварительного удаления припуска, ограниченного сложными поверхностями, приведены в нашей работе [1]. Задачей предварительной обработки является удаление наибольшего объема материала припуска на окончательную обработку. Возможности геометрического моделирования позволяют решить такую задачу. На этапе геометрического моделирования оценку эффективности удаления припуска при предварительной обработке проводят по коэффициенту эффективности удаления припуска КП = = где — объем материала при-
пуска, удаляемого на предварительной обработке; ^б — общий объем припуска на указанном этапе обработки. Производительность удаления припуска при предварительной обработке принято оценивать [2] в единицах скорости удаления объема материала припуска (мм3/мин, см3/мин и др.).
Вместе с тем при определении коэффициента Кп значение ^р назначают при условии гарантированного сохранения минимального припуска для окончательной обработки. Припуск на предварительную обработку, определяемый как толщина удаляемого слоя со сложной поверхности детали и измеряемый по нормали к этой поверхности, может быть найден из условия
п
^пр — ^об X ()тт ' (1)
1=1
где 2Пр — припуск на предварительную обработку; ZQб — общий припуск; г1ок — при-
пуск под окончательную обработку при вып
полнении 1-й операции; ^ (^ )т1п — сум-
1=1
марное значение минимального припуска при выполнении п операций (переходов) окончательной обработки.
При выполнении одной операции (переходе) минимальный припуск на окончательную обработку с учетом известных методик [3] и с учетом неизбежных погрешностей обработки рассматриваемых объектов может быть определен зависимостью
г1 = + 1_Л +ДУ. ,+еч +£п , (2)
ок 1 1 ¿-ч-1 У; 4 '
где — высота неровностей профиля поверхности и неровностей, вызванных возможной ступенчатой формой поверхности после предварительной обработки (Яг — высота шероховатости); _ 1 — глубина дефектного поверхностного слоя на предшествующей обработке; Д^г-! — суммарные отклонения расположения и формы поверхности; е.. , е„ —
УI и/
погрешности установки и обработки заготовки на выполняемой операции соответственно.
Вследствие сочетания сложной формы обрабатываемых поверхностей, низкой обрабатываемости резанием конструкционных материалов деталей характерными являются повышенный уровень сил резания и упругих перемещений в системе «инструмент — деталь» и более высокая интенсивность изнашивания формообразующих инструментов. Как показал опыт, приведенные зависимости (1), (2) могут быть использованы лишь для предварительных расчетов. Уточненные данные будут получены опытным путем, при условии коррекции назначаемых параметров обработки, когда предусмотрена обработка товарной партии деталей.
Таблица 1
Обрабатываемость конструкционных материалов для деталей со сложными поверхностями по критерию уровня сил резания
Материал Марка Состояние Предел прочности при растяжении ов, МПа Коэффициент сил резания,
Среднеуглеродистая сталь 45 После нормализации 600 1,0
Алюминиевый сплав: литейный средней прочности деформируемый высокопрочный порошковый жаропрочный АЛ4 В95 СПАК-4 Без термообработки После старения После старения 140...150 500...600 360...380 0,2...0,3 0,17...0,50 0,3...0,4
Коррозионно-стойкие стали 12Х18Н9 17Х18Н9 После нагартовки 1000...1200 1,8...2,2
Жаропрочные титановые сплавы ВТЗ-1 ВТ 8 ВТ 9 После закалки и старения 1200... 1300 2,4...2,8
"При оценке уровня радиальных сил резания Рд относительно обработки стали 45, когда фрезерование проводится твердосплавными концевыми фрезами при наличии рекомендуемых [2, 4] режимов резания (при равных сечениях срезаемого слоя) и геометрии режущей части инструментов.
Если невозможно выполнить предварительную обработку за один переход, деление припуска £пр (1) проводят по условиям обеспечения наибольшей производительности и меньшей себестоимости обработки при наличии заданного режима обработки [2, 4].
Одним из критериев выбора технологических схем предварительного удаления припуска, особенно в тех случаях, когда обрабатываемые элементы нежесткие, является обеспечение равномерности распределения припуска для последующей чистовой обработки. Прежде всего это относится к обработке деталей из высокопрочных материалов, когда коэффициент сил резания Кр > 1,0 (табл. 1).
При снятии припуска во время предварительной и окончательной обработки глубоких и узких пазов, ограниченных сложными поверхностями, широко используют фрезерование концевыми фрезами и обработку другими концевыми инструментами. В этом случае наиболее характерной составляющей погрешности обработки е.. (2) является результиру-У /
ющее значение упругого отжима элементов системы «станок — приспособление — деталь — инструмент», определяемое уровнем сил резания. Следовательно, одним из показателей прогнозируемой погрешности обработки может считаться относительный коэффициент сил резания, приведенный в табл. 1 для разных конструкционных материалов. Зная погрешности обработки из одного материала, можно найти расчетное значение погрешности для обработки детали из другого материала. При этом наиболее достоверные результа-
ты удается получить при таком изменении условий обработки, которое относится только к материалу детали.
Применение вариантов удаления припусков
Использование возможностей геометрического моделирования при выборе рациональных технологических условий предварительного удаления припуска показано на примере обработки деталей типа «крыльчатка». Результаты решения отдельных задач выбора условий удаления припуска межлопаточного объема крыльчаток приведены в табл. 2. Они позволяют определить схему удаления припуска и провести его разбиение по отдельным проходам, переходам и операциям. Сведения по остаточному объему материала и размеру припуска, который должен быть удален при последующей чистовой обработке, необходимы для выбора способа этой обработки и условий его применения [5, 6]. Отдельные возможности решения задач обработки изделий со сложными поверхностями с применением разработанного метода приведены в табл. 3.
Рассмотренные схемы формообразования тел сложной формы использованы для решения задач автоматизированного проектирования технологических процессов по размерной обработке изделий со сложными поверхностями. Выбор той или иной схемы или их комбинаций осуществляется итерационно, на основе визуализации процесса формообразования и количественных параметров
Таблица 2
Технологические возможности процессов удаления припуска
Процесс обработки Производительность процесса, мм3/мин Остаточный объем материала, %
Фрезерование дисковыми фрезами: с одной стороны (рис. 1, а; 2) с двух сторон (рис. 1, б; 2) (15...30) • 103 (15...30) • 103 15...20 20...30
Фрезерование дисковыми фрезами с нагревом срезаемого слоя (рис. 1, 2) (6...12) • 104 15...20
Фрезерование концевыми фрезами: с делением припуска по глубине (рис. 3, 4, а) с удалением припуска по всему сечению (рис. 3, 4, б) (8...10) • 103 5...10
Точение на автоматизированном оборудовании с применением многоместной обработки (рис. 5, 6, а) (15...20) • 103 10...15
Протягивание (рис. 5, 6, б) (20...35) • 103 5...10
а)
У
б)
У
Рис. 1. Схема обработки при фрезеровании дисковыми фрезами с одной (а) и двух сторон (б) с нагревом срезаемого слоя:
— направления подач фрез разной ширины; 1,2 — последовательность удаления припуска
Рис. 4. Схема удаления припуска при фрезеровании концевыми фрезами: а — с делением припуска по глубине; б — с удалением припуска по всему сечению: 1, 2, п — последовательность удаления припуска
Рис. 2. Схема удаления припуска при фрезеровании дисковыми фрезами с одной и двух сторон с нагревом срезаемого слоя:
1,2 — последовательность удаления припуска
Рис. 5. Схема обработки при точении на автоматизированном оборудовании с применением многоместной обработки и протягивания
а)
б)
12
Рис. 3. Схема обработки при фрезеровании концевыми фрезами
Рис. 6. Схема удаления припуска: а — при точении на автоматизированном оборудовании с применением многоместной обработки; б — при протягивании: 1, 2, 3, п — последовательность удаления припуска
Таблица 3
Решение технологических задач обработки изделий со сложными поверхностями с применение методов геометрического моделирования
Решаемая задача Определяемый параметр Назначение полученных результатов
Оценка технологических возможностей процессов изготовления заготовок деталей по критерию обеспечения минимального объема этого припУска Уоб.тт Общий объем сложного припуска Уф заготовок деталей для последующей размерной обработки Выбор технологического процесса, оборудования и оснастки для изготовления заготовки
Расчетное определение геометрических характеристик удаляемого припуска и его частей Форма и общий объем припуска У^. Форма и объем припуска на предварительную обработку Упр. Форма и объемы припуска на окончательную обработку Уж Назначение технологических вариантов удаления объема припуска и его частей ^ "Гпр^ yщi2, ущй • Упр„ и объема припуска на окончательную обработку Уда
Оценка технологических возможностей процессов размерной обработки по удалению припуска и его частей ^пр> ^пр1> ^пр2> УпрЗ ••• Упрп Производительность процесса. Характеристики точности процессов размерной обработки. Себестоимость процессов размерной обработки Выбор технологического процесса, оборудования, оснастки для размерной предварительной обработки
Определение стоимости материала припуска Упр, необратимо потерянного в процессе предварительной размерной обработки (например, при шлифовании, электрохимической, электрофизической обработке и др.) Объем потерянного материала припуска упр Оценка себестоимости процессов размерной обработки по удалению припуска Уоб с учетом потери материала заготовки и прочих затрат
Рис. 7. Примеры удаления межлопаточного объема в производственных условиях: а — взаимное расположение заготовки и режущего инструмента при фрезеровании детали типа «крыльчатка»; б — приспособление для установки заготовки той же детали; в — взаимное расположение заготовки и инструмента при фрезеровании детали типа «вентилятор»; г — деталь типа «крыльчатка» на этапе окончательной обработки
удаляемого и остающегося объемов. Так, в приведенных выше примерах объемы удаляемого припуска на этапах предварительной обработки составляют 70-90 % и более от общего объема припуска. Однако здесь важно принимать во внимание возможности оборудования и инструмента для реализации указанных схем, остаточный объем тела и размер припуска для последующей чистовой обработки.
С учетом производительности разных процессов предварительной обработки и размеров остаточного припуска на окончательную обработку количественная оценка размеров и формы удаляемого припуска применительно к разным типоразмерам деталей позволяет выбрать процесс удаляемого припуска, тип и характеристики применяемого технологического оборудования и оснастки в каждом конкретном случае. Отдельные примеры применения изложенных решений в производственных условиях указаны на рис. 7.
Выводы
Применение полученных результатов позволяет решить следующие задачи:
• Многократно (до 3-5 раз) повысить производительность процессов предварительного удаления припуска.
• Увеличить производительность получистовой и чистовой обработки в 1,5-2,0 раза за счет уменьшения припуска на последующую обработку концевыми инструментами.
• Создать условия для использования одного инструмента без его замены (до достижения допустимого износа) на протяжении автоматизированного чистового фрезерования всех поверхностей спинки и корыта одной детали, что необходимо для обеспечения требований качества обработанных поверхностей.
• Сократить расходы на режущие инструменты за счет использования инструментов с большими жесткостью, стойкостью и длиной активных режущих кромок, чем у концевых инструментов, для предварительной обработки, предназначив концевые фрезы для чистовой обработки.
• Применять лезвийную обработку инструментами, режущая часть которых работает по циклу «нагрузка — отдых» (например, дисковые фрезы), при предварительной обработке каналов и полостей у заготовок из высокопрочных материалов. В данном случае обеспечена возможность использо-
вать метод обработки с нагревом срезаемого слоя [2, 7], в сочетании с фрезерованием дисковыми фрезами с одной стороны это повышает производительность в 2-4 раза (см. данные относительно фрезерования дис ковыми фрезами с нагревом срезаемого слоя в табл. 2).
• Снизить себестоимость процессов предварительного удаления припуска за счет многократного снижения затрат, связанных с амортизационными отчислениями на использование дорогих 4-5-координатных станков с ЧПУ на операциях предварительной обработки. Эта обработка может быть проведена на более простом и менее дорогостоящем оборудовании, например на горизонтально-фрезерных станках. На себестоимость процесса положительно влияет и снижение трудоемкости обработки.
Эффективность решения указанных задач прошла проверку в производственных условиях. На рис. 7 приведены примеры предварительной и окончательной размерной обработки деталей типа «крыльчатка» и «вентилятор». Полученные результаты могут быть использованы при автоматизированном проектировании технологических процессов изготовления изделий и освоении обработки поверхностей сложной формы крыльчаток, роторов винтовых насосов, шнеков и других деталей, выполненных из сталей и сплавов с низкой обрабатываемостью.
Литература
1. Ляшков А. А., Вивденко Ю. Н., Шутов А. Н. и др.
Моделирование формообразования сложных поверхностей деталей // Металлообработка. 2010. № 4. С. 36-42.
2. Баранчиков В. И., Тарапанов А. С., Харламов Г. А. Обработка специальных материалов в машиностроении: Справочник. М.: Машиностроение, 2002. 264 с.
3. Справочник технолога-машиностроителя: В 2 т. Т. 1 / Под ред. А. М. Дальского, А. Г. Косиловой, Р. К. Мещерякова, А. Г. Суслова. М.: Машиностроение, 2001. 912 с.
4. Справочник технолога-машиностроителя: В 2 т. Т. 2 / Под ред. А. М. Дальского, А. Г. Косиловой, Р. К. Мещерякова, А. Г. Суслова. М.: Машиностроение, 2001. 857 с.
5. Крымов В. В., Елисеев Ю. С., Зудин К. И. Производство газотурбинных двигателей / Под ред. В. В. Кры-мова. М.: Машиностроение-Полет, 2002. 376 с.
6. Полетаев В. А. Технология автоматизированного производства лопаток газотурбинных двигателей. М.: Машиностроение, 2002. 376 с.
7. Вивденко Ю. Н., Созинов А. И. Промышленное применение токарной обработки титановых сплавов с индукционным нагревом ТВЧ // Авиационная промышленность. 1989. № 9. С. 24-27.
