CC BY
0
Машиностроение и машиноведение
ВЫБОР КОНСТРУКТИВНЫХ РЕШЕНИЙ ДЛЯ МОДЕЛИРОВАНИЯ СБОРНОЙ ДИСКОВОЙ ФРЕЗЫ ДЛЯ ОБРАБОТКИ РК-ПРОФИЛЬНЫХ ВАЛОВ
Пономарев Василий Владимирович, ст. преподаватель (e-mail: ascon-kursk@yandex.ru) Колупаева Валерия Андреевна, студент
(e-mail: valeria.kolupaeva@mail.ru) Урванцев Герман Владимирович, студент (e-mail: molnia46rus@yandex.ru) Юго-Западный государственный университет, г. Курск, Россия
В работе приведены критерии выбора оптимальной конструкции инструмента для обработки РК-профильных валов фрезерованием с осевой подачей. Рассмотрены варианты крепления сменных многогранных пластин и конструкции корпуса, спроектирована трехмерная модель фрезы с элементами крепления СМП.
Ключевые слова: РК - профиль, фреза, математическая модель, формообразование, отклонение профиля, сменная многогранная пластина, стойкость режущего инструмента.
В работах [1-12] были рассмотрены вопросы математического моделирования процесса формообразования РК-профильной ступени валов, проектирования инструмента для обработки данных элементов деталей фрезерованием с осевой подачей и процесс разработки прототипа сборной фрезы-протяжки для проведения экспериментального исследования.
Следующим этапом проектирования можно считать выбор варианта конструкции сборной фрезы-протяжки.
Выбор оптимальной конструкции инструмента является важной составляющей конструкторско-технологической подготовки производства. Проектирование нового специального металлорежущего инструмента должно быть оправдано с экономической точки зрения и приводить к повышению производительности обработки [13, 14, 15].
В настоящее время широко применяются сборные инструменты разнообразных конструкций, оснащенные СМП. Такие конструкции обладают рядом достоинств:
- снижение затрат на материал корпуса инструмента благодаря многократному использованию корпуса фрезы;
- отсутствие необходимости в операциях переточки. При предельном износе пластину поворачивают, либо заменяют при износе всех сторон;
- повышение прочности режущих кромок и периода стойкости фрезы ввиду отсутствия внутренних напряжений и, как следствие, появления трещин, возникающих при пайке в твердом сплаве режущей части;
Улучшение и оптимизация механизмов крепления пластин упрощает операции с ними и сокращает вспомогательное время за счет исключения операций настройки и наладки на станке.
Исходные данные для проектирования представляют собой:
- геометрические параметры обрабатываемой поверхности детали и поверхности заготовки;
- параметры оценки вариантов проектных решений, которые будут учитываться при анализе результатов проектировании и выбора соответствующих ограничений, накладываемых на эти параметры - области допустимых решений. В том числе:
- характеристики обрабатываемой поверхности по точности: размерной, параметров шероховатости и погрешности профиля;
- характеристики физических процессов, протекающих при резании (период стойкости СМП, равномерность износа и пр.);
- характеристики, относящиеся к габаритным размерам проектируемого инструмента (для фрез наиболее актуальны габариты, а именно наружный диаметр).
При проектировании сборного инструмента одной из основных задач является определение баз крепления СМП в корпусе, обеспечивающих массивом формообразующих точек режущих кромок СМП дискретное представление производящей поверхности, при котором достигаются наилучшие условия формообразования[14].
При проектировании фрезы были рассмотрены основные схемы крепления СМП, которые используются, в конструкциях сборных фрез[13, 14]. В наиболее распространенных конструкциях сборных фрез используются пять основных конструктивных решений (схем) узла крепления СМП [13]:
1. Клиновое крепление СМП со стороны передней поверхности (рис.
1);
б)
Рисунок 1 - Клиновое крепление СМП со стороны передней поверхности
б) -
1 - СМП; 2 - подкладка; 3 - клин крепления СМП; 4 - винт крепления
подкладки; 5 - винт клина
2. Клиновое крепление СМП со стороны основной опорной поверхности (рис. 2);
3
б)
Рисунок 2 - Клиновое крепление СМП со стороны основной опорной
поверхности а -
1 - СМП; 2 - подкладка; 3 - клин крепления СМП; 4 - винты крепления подкладки и регулирования размера по ширине; 5 - винт клина
3. Крепление винтом через центральное отверстие с радиальным расположением СМП (рис. 3, а) и с тангенциальным расположением СМП (рис.
3,6);
д д
а) б) в)
Рисунок 3 - Крепление винтом через центральное отверстие [13] а - с радиальным расположением СМП; б - с тангенциальным расположением: СМП: 1 - СМП; 2 - подкладка; 3 - винт крепления СМП; 4 - клин
крепления подкладки; 5 - винт клина
4. Крепление косой тягой через центральное отверстие с тангенциальным расположением СМП (рис. 4);
Рисунок 4 - Крепление косой тягой с тангенциальным расположением
СМП
1 - СМП; 2 - тяга (фиксирующий палец); 3 - винт тяги 5. Крепление СМП прихватом (рис. 5).
Рисунок 5 - Крепление СМП прихватом [13]
1 - СМП; 2 - подкладка; 3 - прихват; 4 - клин крепления подкладки; 5 -
винт клина; 6 - винт прихвата
Варианты крепления, изображённые на рис. 2 и 3, зачастую выпускаются с базированием СМП непосредственно на корпус без промежуточного элемента - подкладки.
Узлы крепления СМП у фрез различных конструкций имеют конструктивные отличия, различаются количеством деталей и размерами. При этом с точки зрения удобства эксплуатации, преимущество имеют конструкции с наличием элементов между корпусом и СМП (см. рис. 1-3), которые защищают корпус от повреждений при внезапной поломке СМП в процессе резания[13].
Ввод дополнительных деталей в узел крепления, и соответственно, создание размерных цепей требует повышения точности исполнения размеров корпуса, усложняет структуру упругой системы фрезы. Использование устройств регулирования размера по вылету также добавляет элементы, усложняющих расчётную схему устройства[14].
Анализ схем крепления СМП позволяет выявить и идентифицировать их основные элементы для выбора оптимальной схем крепления СМП.
Проведем анализ конструкции крепления СМП по следующим критериям:
- компактность конструкции;
- минимальное количество элементов;
- соответствие конструкции крепления выбранной пластины.
Наиболее рациональной конструкцией в нашем случае будет крепление
по варианту на рис. 5. С целью сокращения высоты конструкции применим клиновое крепление подкладки.
Определение основных параметров проектируемой фрезы ведем на основе проведенного исследования зависимости конструктивных параметров, влияющих на качество обрабатываемой поверхности и период стойкости СМП. Увеличение количества СМП приводит к улучшению как точностных, так и стойкостных характеристик [8, 9, 10,]. Ввиду ограничения размеров зоны оборудования, невозможно применение фрезы больше определенного диаметра, а конструкция крепления СМП ограничивает минимальный угол расположения при данном диаметре фрезы (рис. 6).
зубьев Z = 25 с переменным шагом расположения СМП
По технологическим ограничениям проектируемая фреза должна удовлетворять следующим условиям:
D-min — Аср + 2б < ^max' (1)
где Лср - средний диаметр фрезы;
Dmax - предельно допустимый диаметр фрезы, ограниченный габаритами рабочей зоны оборудования;
Dmin - минимальный диаметр фрезы при данном количестве СМП.
Минимальный диаметр зависит от количества СМП и конструкции их крепления:
n — Imin
Umin — , (2)
sm ™ V 7
0m¿n - минимальный угловой шаг расположения СМП;
lmin - минимально допустимое расстояние между СМП для выбранного способа крепления исходя из условий жесткости корпуса фрезы.
Задачу определения конструктивных параметров фрезы следует решать комплексно, с выполнением следующих условий:
- количество СМП должно быть минимально необходимым для достижения заданной точности формы [3, 4];
- период стойкости фрезы, равный минимальному периоду стойкости СМП должен быть не менее требуемых значений [8];
- коэффициент неравномерности периода стойкости СМП должен быть минимален для снижения эксплуатационных издержек и повышения срока службы инструмента;
- диаметр инструмента при заданном количестве СМП должен быть минимальным исходя из условий жесткости корпуса фрезы и выбранной схемы крепления СМП.
Решение вышеуказанной задачи позволит спроектировать работоспособную конструкцию фрезы с заданными параметрами качества обработки и стойкости.
Для определения положения в пространстве элементов крепления конструкции пластин и моделирования фрезы-протяжки необходимо определить положение каждого элемента крепления СМП. Поскольку ранее мы определили положение СМП относительно производящей поверхности, положение остальных элементов определяем относительно системы коор-динат[13,14,15].
Выявленные взаимосвязи между элементами схем крепления СМП позволяют сформировать систему их конструкторских параметров. Формирование системы будем осуществлять поэлементно:
1. Определение положения прокладки.
Расчетная схема представлена на рисунке 7-а):
Параметры матрицы установки подкладки относительно кр-й СМП рассчитаем, как результат перемножения матриц обобщенных переменных (приложение 1) с соответствующими параметрами:
2. Определение положения клина 1 Расчетная схема представлена на рисунке 7-б):
Положение клина 1 определим относительно системы координат про-
')х (3)
х А3(НпдК - 5пк).
кладки:
Мкл! = А1(-Ькл1) • Л2^) • • Л4(-^кл1) • Л3(Якл1)- (4)
а) б)
Рисунок 7 - Расчетные схемы установки а) - подкладки координат в системе пластины. б) клина 1 1в системе координат прокладки.
3. Определение положение клина 2. Расчетная схема представлена на рисунке 8
Ук,!
Ш"!
V и I/
г- —1 '
( Уп \ Фбк
Vх- К -
]кл2
Рисунок 8 - Расчетная схема установки клина 2 в системе координат
пластины
Положение клина 2 определяем относительно системы координат пла стины:
п Мк \ , . (5)
М,
кл2
, ( "КЧ о /"К \
= Л6(-П„л) • А1 ^-¿кл2 + у] • Л2 ^у-/кл2] • Л3(-5„к) •
•Л4(-4л2)-Л3Шкл2)-Полученные зависимости позволяют, используя программное обеспечение выполнить построение трехмерной модели фрезы по заданным параметрам.
На рисунке 10 показаны основные элементы конструкции крепления СМП.
Рисунок 10 - Основные элементы конструкции крепления СМП:
1 - пластина; 2 - подкладка; 3 - клин 1; 4 - клин 2; 5 - дифференциальный винт (2 шт.)
Используя известные параметры и структуру конструкции, выполняем трехмерное моделирование конструкции в среде «КОМПАС-ЗБ» (см. рисунок 11).
Рисунок 11 - ЗЭ-модель конструкции крепления СМП-пластины и трехмерной модели фрезы Сочетая возможности трехмерного моделирования и математического программирования, позволяет построить точные модели конструкции фрезы.
Выполненные трехмерные модели элементов конструкции фрезы-протяжки могут использоваться для расчетов на прочность в специальных приложениях и для изготовления на оборудовании с ЧПУ.
Список литературы
1. Патент № 2728269 С1 Российская Федерация, МПК В23С 5/06. Фреза дисковая для обработки валов с РК-профилем : № 2019136201 : заявл. 12.11.2019 : опубл. 28.07.2020 / В. В. Куц, В. В. Пономарев ; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Юго-Западный государственный университет" (ЮЗГУ).
2. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2020611659 Российская Федерация. Программа расчета конструктивных параметров сборной дисковой фрезы для обработки протяженных длинных валов : № 2019667551 : заявл. 24.12.2019 : опубл. 06.02.2020 / В. В. Куц, В. В. Пономарев, Ю. А. Мальнева ; заявитель Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Юго-Западный государственный университет» (ЮЗГУ).
3. Куц В.В. Обработка валов с РК-профильными ступенями фрезой-протяжкой с осевой подачей инструмента/ В.В. Куц, В.В. Пономарев // Машиностроительные технологические системы: Международная научно-техническая конференция, Ростов-на-Дону, 26-29 мая 2022 года. - Ростов-на-Дону, Донской государственный технический университет, 2022. - С. 271-278.
4. Куц, В.В. Предварительная обработка валов с РК-профильными ступенями фрезой-протяжкой с осевой подачей инструмента/ В.В. Куц, В.В. Пономарев, В.В. Сидорова// Технологическое обеспечение и повышение качества изделий машиностроения и авиакосмической отрасли: 14-я Международная научно-техническая конференция, посвященная 50-летию Брянской научной школы технологов-машиностроителей, Брянск 5-7 октября 2022 года. - Брянск, 2022. С. 128-134.
5. Куц, В.В. Применение фрезы-протяжки для обработки валов с РК-профильными ступенями с осевой подачей инструмента/ В. В. Куц, В. В. Пономарев // Прогрессивные технологии и процессы: 9-я Всероссийская научно-технической конференции с международным участием, Курск, 22-23 сентября 2022 года. - Курск, 2022. С. 162-169.
6. Куц, В. В. Моделирование и исследование стойкостных характеристик сборной дисковой фрезы с конструктивной радиальной подачей при обработке протяженных РК-профильных валов / В. В. Куц, В. В. Пономарев // Известия Юго-Западного государственного университета. - 2020. - Т. 24, № 1. - С. 23-34.
7. Куц, В. В. Исследование изменения крутящего момента при обработке РК-профиля фрезой-протяжкой / В. В. Куц, В. В. Пономарев, Д. А. Зубков // Качество продукции: контроль, управление, повышение, планирование : сборник научных трудов 8-й Международной молодежной научно-практической конференции, Курск, 12 ноября 2021 года. - Курск: Юго-Западный государственный университет, 2021. - С. 176-181.
8. Куц, В. В. Снижение величины неравномерности стойкости зубьев сборной фрезы-протяжки при осевом фрезеровании РК-профильных валов / В. В. Куц, В. В. Пономарев // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. -2021. - № 5. - С. 382-388. - Б01 10.24412/2071-6168-2021-5-382-388.
9. Куц, В. В. Исследование влияния расположения зубьев фрезы-протяжки на показатели процесса обработки / В. В. Куц, В. В. Пономарев // Отечественный и зарубежный опыт обеспечения качества в машиностроении : III Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием, Тула, 06-08 апреля 2022 года. -Тула: Тульский государственный университет, 2022. - С. 110-114.
10. Куц, В. В. Метод расчета геометрических параметров фрезы с радиальной конструктивной подачей для осевого фрезерования РК-профильных валов / В. В. Куц, В. В. Пономарев // Обеспечение и повышение качества изделий машиностроения и авиакосмической техники : материалы Международной научно-технической конференции, Брянск, 19-20 февраля 2020 года / Брянский государственный технический университет. - Брянск: Брянский государственный технический университет, 2020. - С. 243-249.
11. Колупаева, В. А. Обработка валов с РК-профильными ступенями специальным инструментом - фрезой-протяжкой с заданной точностью / В. А. Колупаева // Перспективное развитие науки, техники и технологий : сборник научных статей 12-ой Международной научно-практической конференции, Курск, 01 ноября 2022 года. - Курск: Юго-Западный государственный университет, 2022. - С. 175-181.
12. Колупаева, В. А. Экспериментальное исследование процесса обработки РК-профильной поверхности фрезой-протяжкой / В. А. Колупаева, В. В. Пономарев // Современное перспективное развитие науки, техники и технологий : сборник научных статей Международной научно-технической конференции, Воронеж, 12 октября 2023 года. - Воронеж: Воронежский государственный технический университет, 2023. - С. 206-212.
13. Куц, В. В. Методология предпроектных исследований специализированных металлорежущих систем [Текст] / В.В. Куц. Дис. .д.т.н. Курск. 2012г. - 366с.
14. Куц, В. В. Структурный синтез специализированных металлорежущих систем для обработки РК-профильных валов / В. В. Куц, Ю. А. Максименко // Известия Юго-Западного государственного университета. - 2012. - № 6(45). - С. 065-070.
15. Куц, В. В. Метод определения положения зубьев сборной дисковой фрезы с конструктивной радиальной подачей / В. В. Куц, В. В. Пономарев // Вестник Воронежского государственного технического университета. - 2017. - Т. 13. - № 6. - С. 81-85.
Ponomarev Vasily Vladimirovich, senior lecturer (e-mail: ascon-kursk@yandex.ru) Southwest State University, Kursk, Russia Kolupaeva Valeria Andreevna, student (e-mail: valeria.kolupaeva@mail.ru) Southwest State University, Kursk, Russia Urvantsev German Vladimirovich, student (e-mail: molnia46rus@yandex.ru) Southwest State University, Kursk, Russia
SELECTION OF DESIGN SOLUTIONS FOR MODELING A PREFABRICATED DISK MILLING CUTTER FOR PROCESSING EQUIAXED PROFILE SHAFTS Abstract. The paper presents criteria for choosing the optimal tool design for processing equiaxed profile shafts by milling with axial feed. Variants offastening of replaceable polyhedral plates and housing construction are considered, a three-dimensional model of a milling cutter with elements of fastening of the SMP is designed.
Keywords: equiaxed profile, cutter, mathematical model, formation, deviation of profile, interchangeable multifaceted plate, durability of cutting tool.
