Формирование режущей части фасонных борфрез с применением шлифовально-заточных станков с ЧПУ

В современном машиностроении широко используются инструменты, применяемые на зачистных операциях. Механизированную зачистку в основном выполняют борфрезами, которые характеризуются различными по форме производящими поверхностями, числом зубьев, их расположением и геометрией, а также используемыми инструментальными материалами режущей части.

Конструктивно борфрезы выполняются как концевой инструмент, имеющий режущую часть и хвостовик.

Режущая часть с хвостовиком как правило соединяются при помощи пайки, при твердосплавной режущей части, или стыковой сварки, при материале режущей части, выполняемой из быстрорежущих сталей.

По технологии изготовления борфрезы разделяется на так называемые «чёрные» и «светлые» .

Технологический процесс изготовления «чёрных» борфрез выглядит следующим образом:

— предварительное спекание режущей части не до окончательной твёрдостиформирование зубьевокончательное спеканиеприпаивание режущей части к хвостовику.

Такой инструмент широко используется благодаря низкой себестоимости, но имеет значительное радиальное и торцовое биения, что отрицательно сказывается на здоровье потребителя из-за воздействия вибраций.

Светлые" борфрезы выполняются при шлифовании «по целому» алмазными или эльборовыми кругами.

До недавнего времени формирование режущей части борфрез выполнялось при помощи универсальных приспособлений, что накладывало определённые ограничения на форму производящей поверхности, число зубьев и угол их наклона.

В современном инструментальном производстве универсальные приспособления вытесняются многокоординатными заточными станками с числовым программным управлением (ЧПУ), которые являются мощным и современным средством автоматизации, в том числе и при производстве борфрез.

Эффективное внедрение заточных станков с ЧПУ при изготовлении борфрез удерживается несколькими факторами: не приспособленностью существующих конструкций борфрез по ГОСТ 18 944–73, ГОСТ 18 945–73, ГОСТ 18 946–73, ГОСТ 18 946–73 к изготовлению на подобном оборудовании.

— для оформления передних и задних поверхностей используются аксиально-радиальные поверхности переменного шага, теория профилирования которых разработана недостаточно для использования на многокоординатных станках с.

ЧПУ.

На настоящий момент в совершенстве разработана теория профилирования винтовых поверхностей постоянного шага, в которую наиболее существенный вклад внёс проф. С. И. Лашнев.

Вопросами изготовления и проектирования винтовых поверхностей переменного шага занимались отечественные и зарубежные учёные такие как И.А. Дру-жинский, В. А. Гречишников, Б. А. Перепелица, Г. И. Шевелёва, В. Б. Протасьев, Ю. С. Степанов, С. Г. Емельянов, Г. А. Харламов, A.B. Хандожко, С. Ю. Илюхин и др. Объектами исследований были шнеки, винтовые поверхности режущих инструментов, валков для поперечно-винтовой прокатки, конические колёса с криволинейными зубьями, зуборезные инструменты и т. п. ф Первое упоминание о борфрезах, как прототипе современных фрез, приведено в классической работе [1] H.H. Семенченко. Проведённый нами библиографический поиск за двадцать лет, позволил обнаружить только две публикации [2, 37], посвященных борфрезам.

Существующее многообразие систем координат шлифовально-заточных станков с ЧПУ, набор их управляемых движений требует адаптации теории обработки винтовых поверхностей с переменным аксиально-радиальным шагом к изготовлению борфрез, что до настоящего времени не было сделано. Упомянутые авторы в основном решают обратные задачи профилирования, когда при известной производящей поверхности шлифовального круга и траектории его перемещения определяются профиль инструмента и геометрические характеристики его сечений.

При изготовлении борфрез решение обратной задачи очень полезно для по** лучения наиболее качественных характеристик инструмента, но не менее важно определить и саму наиболее рациональную форму шлифовального круга и траекторию его движения, т. е. по классификации проф. С. И. Лашнева решить кинематическую задачу.

Математическое содержание кинематической задачи фактически является инструкцией по программированию перемещений рабочих органов заточных станков для изготовления инструментов, которую разработчики оборудования не разглашают и которая является «ноу хау» .

Как правило, пользователь, приобретая подобное оборудование, получает с ним некоторый пакет управляющих программ (УП) для обработки определённого инструмента. Для расширения номенклатуры изготавливаемого инструмента заказчик сталкивается с существенными дополнительными трудностями и расходами.

Можно утверждать, что в России отсутствует программный комплекс позволяющий решать кинематические задачи подобного рода.

По данным автора такими комплексами располагают известные мировые инструментальные фирмы Walter, Saake, Shneberger, а из стран СНГ только республика Беларусь в лице АП «Витебский завод заточных станков» (ВИЗАС).

Отдельно можно рассматривать задачу проектирования конструкции инструмента с использованием технологии CAD/CAM. К сожалению ни стандарты на бор-фрезы, ни рабочие чертежи не позволяют использовать содержащуюся в них информацию для программирования и программисту приходиться перерабатывать существующую конструкторскую документацию.

Однако при разработке конструкторской документации имеет место следующее противоречие — потребителю не нужен сложный чертёж на борфрезу, ему нужен чертёж раскрывающий эксплуатационные возможности, а изготовителю этого не достаточно.

Частично, но в адаптированном виде, при решении вопросов профилирования можно применить результаты работ [3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13], но в остальном, включая процедуру проектирования борфрез, технологию их изготовления алмазным инструментом «по целому» на заточных станках с ЧПУ, решение т.н. кинематической задачи [3], автоматизированную систему разработки управляющих программ, в данной работе пришлось выполнять без использования технических решений, опубликованных в научных изданиях.

Целыо настоящей работы является разработка отечественного программно-методического комплекса, позволяющего на станках с ЧПУ изготавливать различные борфрезы с различной формой производящей поверхности.

Детализируя цель работы можно выделить следующие научные задачи, решение которых позволит изготавливать конкурентно способные качественные отечественные борфрезы:

— разработать методику компьютерного проектирования чертежей борфрез с использованием 3D моделирования, удовлетворяющую потребностям потребителя и являющуюся основой для последующего решения кинематических задачвыполнить обобщение форм производящих поверхностей борфрез, позволяющее обрабатывать все борфрезы с использованием единого программного комплекса, построенного на общей исходной информации;

— разработать математический аппарат для решения кинематической задачи с использованием возможностей ЭВМ;

— разработать общую математическую модель борфрез, позволяющую на заточных станках с ЧПУ изготавливать борфрезы с одинаковыми и т.н. групповыми зубьями;

— разработать технологию правки шлифовальных кругов средствами ЧПУ, включаемую в общий программно-методический комплексопределить режимные параметры при шлифовании зубьев борфрез «по целому» с помощью алмазных шлифовальных кругов;

— разработать Windows совместимый программный продукт для создания УП при изготовлении борфрез и внедрить его в действующее производство.

Научная новизна работы заключается в разработке методики комплексного проектирования и изготовления фасонных борфрез с обычными и групповыми зубьями на заточных станках с ЧПУ, учитывающей: условия профилирования винтовых поверхностей аксиально — радиального переменного шага;

— закономерности изменения основных и зависимых параметров, характеризующих конструкцию режущей части борфрезкинематические особенности и технологические ограничения заточных полуавтоматов.

Выводы:

1. Рассмотрены основные координатные системы, используемые для описания импортируемых объектов. Произведён выбор оптимальной координатной системы, полностью совмещаемый с системой координат, используемой при решении кинематической задачи профилирования фасонных борфрез;

2. Описан формат файла, характеризующего местоположение импортируемого объекта в пространстве 3D системы;

3. Рассмотрены основные положения методики по определению углов подъёма винтовых линий стружечных канавок фасонных борфрез.

Заключение

и основные выводы.

1. Разработан отечественный программный продукт для автоматизированного проектирования фасонных борфрез и создания управляющих программ для заточных станков с ЧПУ включающий:

— использование 3D моделей для построения режущей части борфрез и проверки правильности управляющей программы;

— решение кинематической задачи для всех типоразмеров и форм борфрез с использованием обобщающей производящей поверхности;

— технологию автоматизированной правки шлифовальных кругов;

— определение величин контурных подач для различных условий и величин припусков, снимаемых при формировании зубьев режущей части при шлифовании «по целому» .

— формообразование инструментов с так называемыми «длинными» и групповыми зубьями.

2. Проанализированы технологические возможности шлифовально-заточных станков с числовым программным управлением моделей ВЭ-352Ф4, Walter в результате установлен статус дополнительных, установочных и управляемых координат оборудования. Показано, что в качестве постоянной (установочной) координаты рационально использовать угол разворота стола относительно оси шлифовального круга.

3. Показано, что для формирования зубьев борфрез на шлифовал ьно-заточных станках мод. ВЭ-392Ф4 и их модификаций наиболее подходит упрощённая локсодромическая кривая, обеспечивающая постоянный угол скрещивания между осями заготовки и шлифовального круга.

4. Исследованы основные аспекты технологического обеспечения при изготовлении режущей части твёрдосплавных и быстрорежущих фасонных борфрез:

— определены марки шлифовальных абразивных кругов;

— получены математические зависимости для выполнения процесса правки кругов средствами СЧПУ и рассмотрен прогрессивный способ правки алмазными роликами;

— определены зависимости для определения величин контурных подач на различных участках профиля и определены поправочные коэффициенты, учитывающие технологические особенности различных зон обрабатываемых борфрез;

— доказано, что при использовании четырёх управляемых координат и одной установочной величины нормальных передних углов на длинных и коротких зубьях не выходят за пределы заданного допуска.

5. Определена рациональная функция, определяющая смещение центра шлифовального круга относительно осевого сечения обрабатываемой борфрезы. Предложенная функция учитывает особенности станков ВЗ-Э92Ф4 и последующих аналогичных моделей и не имеет динамических ограничений.

6. Совокупность проведённых исследований позволяет формировать зубья всех форм фасонных борфрез как по стандартам России, так и по зарубежным каталогам.

7. Разработанный программный продукт в течении 2003. .2005 г. г. эксплуатируется на Серпуховском инструментальном заводе (СИЗ «ТвИнТОс») при изготовлении борфрез с «длинными» зубьями и обеспечил повышение их стойкости до 2.2х раз (акт внедрения прилагается). Стойкость инструментов составляет 90.95% в сравнении с зарубежными образцами. В 2005 г. осуществлено внедрение программ для изготовления борфрез всех форм с групповым расположением зубьев.