Задать вопрос:





Статьи

Статьи>> Комплексный анализ и управление механической обработкой винтовых поверхностей

Комплексный анализ и управление механической обработкой винтовых поверхностей

Большинство деталей, рабочие поверхности которых описаны винтовыми образующими, работают в зацеплении с другими деталями (ходовые винты, червяки, роторы насосов с циклоидальным зацеплением) либо сами участвуют в их формообразовании (некоторые металлорежущие инструменты). Это обусловливает высокие требования не только к шероховатости обработанной поверхности, но и в особенности к кинематической точности. Такие кинематические параметры точности винтовой поверхности, как накопленная ошибка шага или погрешности профиля, образуются на этапе предварительного формообразования винтовой канавки, а последующая отделочная обработка позволяет улучшить шероховатость рабочих поверхностей, но не всегда в состоянии снизить кинематические погрешности предварительной обработки.

Выполнение подобных требований даже при предварительном формообразовании винтовой канавки осложняется тем, что поверхность может иметь сложный криволинейный профиль, а сама деталь - представлять собой нежесткий вал. Вследствие этого выбор метода и режима обработки, обеспечивающих необходимый комплекс параметров качества обработки винтовой поверхности, является очень важной, но достаточно сложной задачей.

Решение этой задачи видится в комплексном анализе параметров винтовой поверхности, физико-механических свойств инструментального материала и материала заготовки, кинематических, динамических и качественных параметров процесса резания, а также геометричес­ких параметров инструмента и заготовки.

Рис. 1. Структурная схема комплексного метода анализа механической обработки винтовых поверхностей

На рис. 1 изображена структурная схема предлагаемого комплексного метода. Ее первым структурным блоком является блок ограничений, накладываемых на технологический процесс. Эти ограничения можно разбить на два вида:

  1. ограничения, обусловленные требованиями к параметрам качества обработанной поверхности(шероховатость, ошибка шага, погрешность профиля и т.д.) и износостойкости инструмента;
  2. ограничения на возможность применения того или иного метода к обработке конкретной винтовой поверхности, такие как: конфигурация профиля канавки, в частности, его симметричность или несимметричность; шаг винтовой канавки, его непостоянство, размеры заготовки и др.

В следующий блок исходных данных входят физико-механические свойства обрабатываемого и инструментального материалов, способ закрепления заготовки и жесткость технологической системы, размеры обрабатываемой заготовки и параметры винтовой поверхности, а также геометрические параметры режущих инструментов, используемых в рассматриваемых методах. Необходимо отметить, что при неудовлетворительном результате анализа исходные данные могут подвергаться корректировке.

На следующем этапе производится расчет геометрических параметров срезаемого слоя и кинематических изменений рабочих углов, что само по себе для процессов со сложной кинематикой, каким является процесс формообразования винтовых поверхностей инструментами с криволинейными режущими лезвиями, представляется сложной задачей. Наилучший способ ее решения - составление и векторный анализ математической модели кинематической схемы резания. Этот способ позволяет определить мгновенную толщину срезаемого слоя и мгновенные значения рабочих углов на каждом участке криволинейного режущего лезвия в любой момент времени [1]. Рассчитываемые параметры учитывают подачу на зуб инструмента и определяются для некоторых ее значений из предварительно выбран­ного диапазона подач.

Скорость резания может быть определена по методике, позволяющей установить оптимальные скорости резания соответственно для случаев, когда необходимо обеспечить либо максимальную производительность процесса, либо его минимальную себестоимость [2]. В целях уменьшения объема расчетов целесообразно выбрать несколько участков режущих лезвий, срезающих наибольшие толщины, и рассчитывать оптимальные скорости только для них.

Составляющие силы резания рассчитываются по эмпирической методике, позволяющей определить удельные силы резания, приходящиеся на каждый участок режущего лезвия в конкретный момент времени. Причем длина участка берется такой, чтобы толщину срезаемого слоя и кинематические изменения рабочих углов можно было считать постоянными без существенной потери точности расчетов. Мгновенное значение составляющих силы резания по всей режущей кромке находится как сумма соответствующих составляющих на каждом участке. Криволинейность режущих лезвий учитывается с помощью коэффициента сложности формирования стружки [1].

Для прогнозирования размерного износа используется метод подобия [3] в применении к процессам со сложной кинематикой. Для расчета предельного периода стойкости режущего инструмента целесообразно выбрать один или несколько наиболее нагруженных участков (чаще всего, это вершина зуба). При расчете время реза зуба инструмента представляется дискретно в виде отдельных элементарных периодов, мгновенные значения рабочих углов и толщина срезаемого слоя в течение которых считаются постоянными. Размерный износ участка режущего лезвия за один оборот инстру­мента определяется как сумма износов за каждый элементарный период в течение одного реза зуба.

На предпоследнем этапе структурной схемы определяются такие параметры качества обработанной поверхности, как погрешность обработки и шероховатость обработанной поверхности.

Погрешности обработки обусловлены упругими отжатиями инструмента и детали, а также их динамическими прогибами. Для случая фрезерования деталей типа "нежесткий вал" основной вклад в суммарную погрешность вносят динамические перемещения заготовки в точке приложения силы резания [4]. Шероховатость обработанной поверхности может быть довольно точнооценена с помощью метода подобия или подходов учения об инженерии обработанной поверхности, если ввести зависимость для определения составляющей профиля шероховатости, обусловленной геометрией режущей части инструмента и кинематикой его переме­щения относительно заготовки.

После получения расчетных параметров качества обработанной поверхности детали и износа инструмента необходимо сравнить их со значениями, заложенными в блоке ограничений. При превышении хотя бы одним расчетным параметром своего предельного значения, необходима корректировка исходных данных.

На заключительном этапе происходит выбор оптимального метода обработки конкретной винтовой поверхности из всех возможных методов, обеспечивающих выполнение заложенных в блоке ограничений требований. Выбор производится по критерию наибольшей производительности.

Предлагаемый комплексный метод выбора оптимального метода формообразования винтовых поверхностей позволяет прогнозировать показатели качества обработки и размерный износ инструмента для каждого из возможных методов обработки конкретной детали и на этой основе подбирать оптимальные режимы обработки и геометрические параметры режущего инструмента.

Литература

  1. Брусов С.И., Тарапанов А.С. Управление процессами обработки винтовых поверхностей на основе фрактального анализа // Известия ОрелГТУ. Машиностроением приборостроение. Орел: ОрелГТУ. 2000. №4. С. 160-167.>
  2. Оптимизация технологических условий механической обработки деталей авиационных двигателей. М.: Издательство МАИ, 1993. 184с.
  3. Силин С.С. Метод подобия при резании материалов. М.: Машиностроение, 1979. 152с.
  4. Brusov S.I., Dolotov A.M.. Tarapanov A.S. The improvement of the screwpurnps quality by the choice of the optimal screw machining method //Fundamental and applied technological problems of machine building-Technology-2001. 1 May -10 September 2001. Oryol.: OSTU, 2001. P. 65-70.

С.И. БРУСОВ, А.С. ТАРАПАНОВ, Г.А. ХАРЛАМОВ
Справочник. Инженерный журнал № 11, 2002, стр. 27-29.

Статьи партнеров