Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> Концепция параметрической оптимизации обкаточного инструмента

Концепция параметрической оптимизации обкаточного инструмента

Статья посвящена научному обоснованию конструкторских и технологических решений, повышающих эксплуатационные характеристики обкаточного инструмента.

Несмотря на значительное число работ отечественных и зарубежных авторов, посвященных обкаточным инструментам, вопросы теории и методы их проектирования разработаны недостаточно, что ограничивает потенциальные возможности этих инструментов.
Решение данной проблемы требует оптимальности параметров инструмента и большей точности и модели проектирования, адекватной реальному процессу формообразования поверхностей детали, при различной степени сточенности инструмента.
Начальным этапом системы проектирования должна быть научно обоснованная классификация инструмента, которая позволила бы определить направление анализа и синтеза как уже имеющихся, так и потенциально возможных инструментов.
Для решения задач оптимизации параметров сложного обкаточного инструмента наиболее подходящей является система классификации С.И. Лашнева, позволяющая процесс формирования поверхностей как детали, так и инструмента разложить на элементы, удобные для анализа и синтеза, что существенно облегчает процесс построения оптимизационной модели [1].
В соответствии с этой теорией поверхность представляется образованной перемещением образующей по направляющим.
Для выполнения функций формирования поверхности необходимо осуществление контакта инструмента одновременно или последовательно со всеми точками формируемой поверхности, а функции удаления припуска - обеспечение в зоне контакта скольжения инструмента по материалу заготовки.
В общем случае инструмент может иметь главное движение резания Df необходимое для удаления слоя припуска и четыре движения подач: сближения Dt, по направляющей Ds, по образующей и делительное DQ.
Главное движение и движение подач моцут осуществляться раздельно и могут совмещаться.
Способ формирования направляющей определяет вид резания, а образующей - вид профилирования.
Выделяются пять видов резания и три вида профилирования.
С позиций совершения инструментом целевых движений к обкаточным будут относиться те инструменты, которые имеют подачу по образующей поверхности детали, выполненную как качение или качение со скольжением.
Сочетание вида резания и вида профилирования определяет способ формирования поверхности. Для обкаточного инструмента возможны пять способов формирования поверхности детали.
Одним из основных элементов, используемых при проектировании обкаточных инструментов, являются их производящие поверхности. Под производящей поверхностью инструмента будем понимать геометрическое место точек его контакта с заданной поверхностью детали в системе координат, жестко связанной с инструментом, при осуществлении им всех формообразующих движений. Для обкаточного инструмента эта поверхность является огибающей семейства заданных поверхностей детали по параметрам движений детали относительно инструмента и существует в области, ограниченной рядом условий.
Сопряжение производящей и формируемой поверхностей может быть с линейным или точечным контактом.
В случае линейного контакта в результате движений обката контактная линия опишет формируемую поверхность, т.е. формируемая поверхность будет геометрическим местом контактных линий в системе координат, жестко связанной с деталью. Контактная линия в процессе обработки выступает как образующая, перемещающаяся по соответствующим направляющим. В этом случае производящая поверхность инструмента является огибающей однопараметрического семейства заданных поверхностей детали. Такой способ образования поверхностей считается первым способом Оливье.
В случае сопряжения поверхностей с точечным контактом формируемая поверхность образуется как огибающая двухпараметрического семейства производящих поверхностей. При этом огибающая по первому параметру является промежуточной поверхностью с линейным контактом, а формируемая поверхность получается как огибающая однопараметрического семейства промежуточных поверхностей по второму параметру. В результате промежуточная поверхность сопрягается с формируемой по линии, описываемой точкой контакта производящей поверхности с формируемой (второй способ Оливье).
Вместо промежуточной поверхности в соответствии со вторым способом Оливье для определения огибающей двухпараметрического семейства сопряженных поверхностей может использоваться вспомогательная поверхность. Последняя находится в одновременном зацеплении с производящей и формируемой поверхностями. С каждой из сопряженных поверхностей вспомогательная поверхность может иметь линейный или точечный контакт. Как показал анализ, необходимым условием использования этого способа является наличие в каждый момент зацепления общей точки контакта всех трех сопряженных поверхностей. Основным преимуществом способа является возможность определения профилей сопряженных поверхностей без использования трансцендентных уравнений, которые не приводятся к алгебраическим. Поэтому его использование позволяет упростить задачи оптимизации.
При точечном контакте очередность образования семейств по каждому из параметров движений теоретически на формируемую поверхность не влияет, но определяет схему срезания припуска. Режущие кромки в процессе обработки удаляют послойно ту часть припуска, которая заключена между двумя соседними промежуточными поверхностями.
В результате огибания семейств производящих поверхностей по первому параметру на формируемой поверхности образуется линия контакта, выполняющая функцию образующей. При огибании по второму параметру такая образующая перемещается по направляющим.
В отличие от конструкторских образующих и направляющих, используемых при классификации и проектировании, следует учитывать и технологические образующие, и направляющие, поскольку они имеют место в реальном процессе обработки.
Результаты исследований показали, что одной из причин возникновения органических погрешностей инструмента является изменение параметров, определяющих сопряжение его производящей поверхности с поверхностью детали. Наибольшее влияние на сопряжение производящей поверхности инструмента и поверхности детали оказывают параметры начальных поверхностей.
Группа инструментов, которые образуют с деталью цилиндрическую винтовую пару, в настоящее время благодаря целому ряду известных преимуществ получила широкое распространение не только для эвольвентных зубчатых колес, но и для обработки неэвольвентных зубчатых деталей. Несмотря на это, теоретические вопросы сопряжения поверхностей такой пары разработаны недостаточно. Поэтому потенциальные возможности инструментов этой группы используются неэффективно.
Традиционно методы расчета предполагают наличие общей точки контакта начальных цилиндров детали, инструмента и начальной плоскости вспомогательной рейки, которая лежит на линии кратчайшего межосевого расстояния и является полюсом зацепления.
Линии зацепления разноименных сторон зубьев в этом случае проходят через полюс. Именно такая симметричная винтовая пара лежит в основе расчета червячных фрез, шеверов и ряда других инструментов. Однако при переточках инструмента размеры его зубьев изменяются, что приводит к необходимости соответствующего изменения межосевого расстояния. Как следствие, изменяется характер зацепления, который становится асимметричным.
В результате аналитических исследований были получены зависимости радиусов начальных цилиндров детали и инструмента при зацеплении с рейкой от постоянных параметров в общем случае асимметричного зацепления [2].
Было доказано:
1. При изменении межосевого расстояния, но неизменном угле скрещивания:
а) радиусы начальных цилиндров изменяться не будут;
б) начальные цилиндры не касаются друг друга;
в) вспомогательная рейка будет иметь не одну, а две начальных плоскости, каждая из которых касается соответствующего начального цилиндра;
г) линии зацепления детали и инструмента будут смещены относительно межосевого перпендикуляра в различные стороны для разноименных сторон зубьев, причем тем больше, чем меньше угол скрещивания, и пересекать его не будут.
Если изменение межосевого расстояния вызвано изменением запаса на переточку инструмента, то положение вспомогательной рейки относительно детали и профиль рейки останутся без изменения. Профиль рейки относительно инструмента будет смещаться и поэтому профиль его производящей поверхности должен измениться.
Если изменение межосевого расстояния осуществляется при одной и той же производящей поверхности (при изменении положения инструмента относительно детали), то профиль вспомогательной рейки и ее положение относительно инструмента меняться не будут, но относительно детали рейка будет смещена. В результате размеры нарезаемых зубьев и их профиль будут изменяться.
2. При изменении угла скрещивания осей инструмента и детали, но неизменном межосевом расстоянии радиусы начальных цилиндров как детали, так и инструмента изменятся. Соответственно изменятся профили вспомогательной рейки и производящей поверхности (в случае проектирования инструмента) или профиль детали (при обработке заданным инструментом).
3. При угле скрещивания, равном нулю (параллельных осях), что имеет место, например, при зубодолблении, изменение межосевого расстояния приводит к изменению радиусов начальных цилиндров детали и инструмента. Причем начальные цилиндры будут всегда касаться друг друга по линии, лежащей в межосевой плоскости, т.е. по полюсной линии. Сопряжение поверхностей детали и инструмента будет с линейным контактом. Вместо линии зацепления будет поверхность зацепления, которая проходит через полюсную линию.
Для общего случая зацепления с углом скрещивания предложена модель (рис. 1), позволяющая учитывать степень сточенности инструмента [3].

Рис. 1. Схема расположения систем координат асимметричной винтовой пары в начальный момент времени:

1 - деталь; 2 - рейка; 3 - червяк; 4(5)- начальная плоскость рейки при зацеплении с деталью (инструментом). (Системы координат жестко связаны: OXYZ - с деталью; 00X0Y0Z0- с инструментом; OpXpYpZp - с рейкой при ее зацеплении с деталью; Op0Xp0Yp0Zp0 - с рейкой при ее зацеплении с инструментом; OmXmYmZm — с межосевым перпендикуляром и осью детали; Om0Xm0YmZm0 - с межосевым перпендикуляром и осью инструмента.)

По заданным поверхностям детали и параметрам установки инструмента рассчитываются поверхности вспомогательной рейки, затем определяется положение поверхностей этой же рейки относительно инструмента с учетом степени его сточенности. После этого определяются параметры производящих поверхностей инструмента.
Разработанные схемы и зависимости для расчета профилей, контактных линий и линий зацепления позволяют решать прямые и обратные задачи для инструментов с любой степенью сточенности.
Результаты анализа изменений производящей поверхности червячных фрез для обработки шлицевых валов свидетельствуют, что максимальное отклонение теоретически требуемых профилей при различной степени сточенности инструмента может достигать весьма существенных величин. Поэтому при проектировании инструмента следует учитывать изменение его профиля при переточках, которые являются одним из источников органической погрешности инструмента.
Согласно разработанной концепции построения системы параметрической оптимизации, все параметры инструмента, его движений и установки можно разделить на независимые, назначаемые конструктором, и зависимые, однозначно рассчитываемые по принятым независимым. Конкретный статус параметра (зависимый или независимый) назначается конструктором, что позволяет ему управлять процессом проектирования.
Число независимых параметров определяется разностью общего числа параметров и числа уравнений их связывающих. Поэтому при изменении статуса параметров число независимых параметров не изменяется.
Параметры, принимаемые в качестве оценочных, могут быть как зависимыми, так и независимыми, что дает возможность проводить оптимизацию по последовательно применяемым критериям. В зависимости от специфики конкретного инструмента набор оценочных параметров и критериев различен.
В связи с этим решение вопросов оптимизации параметров конкретного обкаточного инструмента включает в себя выявление всех ограничивающих факторов и математическое выражение условий по каждому из них.
Выбор характеристического критерия зависит от цели оптимизационной задачи.
Каждый из независимых параметров имеет разные степень и направление влияния на показатели инструмента, поэтому необходимо выявление параметров, оказывающих доминирующее влияние на тот или иной показатель.
Как показал анализ, при проектировании обкаточного инструмента основными являются параметры его производящих поверхностей. Поэтому, в первую очередь, следует оптимизировать независимые параметры этих поверхностей.
Для того чтобы построить модель, наиболее адекватную рассматриваемой системе параметрической оптимизации такого сложного инструмента, как обкаточный, следует использовать теоретически точное описание взаимосвязей между переменными задачи, отражающее влияние независимых переменных на степень достижения цели, определяемой характеристическим критерием.
При проектировании обкаточного инструмента с теоретической точки зрения поверхности его режущей части формируются следующим образом.
Заданный зубчатый венец детали находится в зацеплении с производящим колесом, зубья которого образованы производящими поверхностями инструмента. При пересечении принятых передних поверхностей с теоретическими производящими поверхностями образуются линии, с которыми должны совпадать теоретически точные режущие кромки инструмента.
Через эти кромки должны проходить теоретические задние поверхности инструмента. Для образования задних углов задние поверхности отклоняются от соответствующих производящих поверхностей.
После переточки размеры зуба инструмента будут изменяться. В результате режущие кромки не будут лежать на первоначальных производящих поверхностях.
Возможны два направления построения модели формирования поверхностей режущей части инструмента.
Первое - для инструментов, при переточке которых изменятся параметры производящих поверхностей. Форма и размеры режущих кромок таких инструментов должны изменяться по мере переточек. Второе - для инструментов, режущие кромки которых при переточках могут быть восстановлены на первоначальные производящие поверхности. Естественно, форма и размеры режущих кромок должны сохраняться.
Первое направление построения модели может использоваться как для цельного, так и для сборного инструмента. Оно предусматривает:
• выбор способа переточек инструмента;
• выбор вида и определение параметров поверхностей режущей части инструмента;
• решение вопросов аппроксимации (при заточке по передним поверхностям) или коррекции формы и размеров режущих кромок (при заточке по задним поверхностям).
Второе направление связано с решением следующих задач:
• выбор способа регулирования и переточек;
• выбор вида поверхностей режущей части и определение их параметров;
• разработка конструктивных решений по реализации выбранного способа регулировки и технологических приемов, обеспечивающих требуемую точность.
Для инструментов, позволяющих восстановление режущих кромок на первоначальные производящие поверхности, возможны три пути восстановления:
а) изменением параметров установки инструмента (например, долбяка с нулевыми статическими углами и наклонной осью);
б) регулировкой положения режущих элементов относительно корпуса инструмента;
в) попеременным изменением параметров установки инструмента и регулировкой его режущих элементов. Такой путь является наиболее рациональным, так как позволяет сократить число трудоемких операций по регулировке положения режущих элементов, но при этом инструмент будет иметь регламентированную органическую погрешность.
При выборе передней поверхности следует иметь в виду, что на производящей поверхности расположена производящая линия. Последняя может занимать произвольное или фиксированное положение на этой поверхности. Первый случай характерен для производящих поверхностей, которые являются огибающими однопараметрического семейства формируемых поверхностей, второй - двухпараметрического.
В первом случае режущая кромка, как линия пересечения любой передней поверхности с производящей, всегда будет совпадать с производящей линией. Во втором - она может совпадать (как на шевере "Гирак") или пересекать (как на червячной фрезе) фиксированную производящую линию.
При совпадении режущей кромки и производящей линии образующая поверхности детали формируется непрерывно, при пересечении - дискретно. При дискретном формировании каждая режущая кромка формирует только одну точку на образующей. В результате инструменту будет присуща органическая погрешность, приводящая к огранке образующей формируемой поверхности.
Принятая режущая кромка может являться или образующей, или направляющей передней поверхности.
Задняя поверхность должна содержать теоретически точную режущую кромку и обеспечивать необходимые задние углы. Если режущая кромка служит направляющей задней поверхности, то такие поверхности называются заточенными, если же образующей — затыловапными.
Реализация вышеприведенной концепции осуществлена на примере создания системы параметрической оптимизации прямозубых долбяков [3].

Литература

1. Лашнев С.И., Борисов А.Н., Емельянов С.Г. Геометрическая теория формирования поверхностей режущими инструментами. Курск. 1997.391с.
2. Борискин О.И., Стаханов Н.Г., Якушенков А.В. Особенности зацепления инструмента и детали, образующих винтовую пару // СТИН, № 1. М.: 2002. С. 24-28.
3. Борискин О.И. Методология оптимизации обкаточного инструмента. Тула. ТулГУ. 2001. 190 с.

Справочник инженерный журнал №10 (2002г.)

стр.38-41 О.И. Борискин (Тульский государственный университет)

Статьи партнеров