Формообразование и профилирование фасонных вогнутых поверхностей дисковым инструментом, имеющим производящую поверхность вращения с прямолинейными образующими

Актуальность, Развитие научно-технического прогресса на современном этапе определяется, как указано в «Основных направлениях экономического и социального развития СССР на 1981;1985 г. г. и на период до 1990 года», необходимостью «.развития математической теории, повышения эффективности ее использования в прикладных целях.», а также «.расширения автоматизации проектно-конструкторских и научно-исследовательских работ с применением электронно-вычислительной техники» /2/.Это в полной мере относится к области машиностроения и инструментальному производству в частности. Повышение эффективноети производственных процессов в машиностроении за счет совершенствования технологии /I/ базируется на разработке и исследовании высокопроизводительных методов обработки изделий. Интенсификация производства металлорежущих инструментов на основе разработки и внедрения прогрессивных высокопроизводительных, энергои матери-алосберегающих технологий является важной задачей экономического развития промышленности страны. Важными и актуальными в области обработки материалов резанием и инструментальном производстве являются задачи, связанные с разработкой методики решения вопросов формообразования и профилирования номинальных фасонных вогнутых поверхностей дисковыми инструментами, имеющими производящие поверхности вращения с прямолинейными образующими, а также программных средств для ЭВМ и практических рекомендаций, позволяющих эффективно использовать данный способ обработки фасонных поверхностей в условиях производства.

Цель работы. Разработка методики решения задач формообразования и профилирования различных видов номинальных фасонных вогнутых поверхностей дисковыми инструментами, имеющими производящие поверхности вращения с прямолинейными образующими, и комплекса программных средств для исследования рассматриваемых процессов и решения задач автоматизации конструкторско-технологической подготовки производства многолезвийных металлорежущих инструментов с использованием ЕС ЭВМ и средств машинной графики.

Методы исследований. В основу теоретических исследований процессов формообразования и профилирования номинальных фасонных вогнутых поверхностей дисковым инструментом положены: классическая теория огибающих в пространстве и на плоскостиосновные принципы теории формообразования поверхностей резаниемматематическое моделирование исследуемых процессовразработка моделирующих алгоритмов решения теоретических задач и их программная реализация для ЕС ЭШ и средств машинной графикисовременные требования к конструкциям металлорежущих инструментовчисленный эксперимент на ЕС ЭВМ. Экспериментальные исследования и производственные испытания проводились в лабораторных и производственных условиях на современном металлорежущем оборудовании.

Научная новизна. В результате выполненных теоретических исследований получены аналитические зависимости, которые положены в основу разработанной обобщенной математической модели, адекватно отражающей реальные процессы формообразования и профилирования семейства номинальных фасонных вогнутых поверхностей инструментами, имеющими производящие поверхности вращения с прямолинейными образующими. Детально разработаны частные модификации математической модели, что позволило аналитически выразить взаимосвязь параметров производящей поверхности, параметров ее установки относительно детали и параметров движения при обработке. Разработана методика решения задач формообразования и профилирования фасонных поверхностей стружечных канавок многолезвийных металлорежущих инструментов дисковыми угловыми фре-зами, которая алгоритмизована в комплексе проблемно-ориентированных программ для ЕС ЭШ и средств машинной графики.

Практическая ценность. Разработанная методика и программные средства для ЕС ЭШ и средств машинной графики являются эффективным исследовательским инструментом при решении задач формообразования и профилирования номинальных фасонных вогнутых поверхностей дисковыми инструментами, имеющими производящие поверхности вращения с прямолинейными образующими на всех этапах исследования^ также в условиях инструментального производства машиностроительных предприятий для автоматизированного решения на ЕС ЭВМ широкого круга задач конструкторско-технологического характера в режиме символьного диалога с визуализацией промежуточных и окончательных результатов на экранах алфавитно-цифрового и графического дисплеев и с использованием чертежного автомата (графопостроителя).

Реализация работы. Результаты работы, разработанная методика и программные средства для ЕС ЭШ, позволяющие решать задачи автоматизации конструкторско-технологической подготовки производства некоторых видов многолезвийных металлорежущих инструментов, внедрены в условиях инструментального производства производственного объединения «ЙЗШШ» с годовым экономическим эффектом 21,4 тыс. рублей.

Апробация работы. Материалы отдельных разделов работы и работа в целом доложены и обоуждены на научно-технических конференциях Саратовского орцена Трудового Красного Знамени политехнического института (г.Саратов, 1981;1984 г. г.), на научно-технических конференциях Марийского ордена Дружбы народов политехнического института им. А. М. Горького (г.Йошкар-Ола, 1979;1984 г. г.), на зональном научно-техническом семинаре «Повышение стойкости режущего инструмента» (г.Пенза, 1981 г.), на конференции «Разработка, исследование и внедрение прогрессивных технологических процессов механосборочного производства» (г.Севастополь, 1982 г.), на XXXI научно—техничеокой конференции Уфимского ордена Ленина авиационного института им. Серго Орджоникидзе (г.Уфа, 1983 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции «Технологическое управление триботехничеокими характеристиками узлов машин» (г.Севастополь, 1983 г.), на зональной конференции «Разработка и внедрение систем автоматизированного проектирования в машиностроении» (г.Ижевск, 1983 г.), на зональном производственно-техническом семинаре «Автоматизация раочетов металлорежущих инструментов с помощью ЭВМ» (г.Челябинск, 1984 г.), на Всесоюзной научно-технической конференции «Новые конструкции и прогрессивная технология производства инструмента» (г.Харьков, 1984 г.).

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 8 печатных работ, получено I авторское свидетельство.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, шести глав, заключения, приложения и изложена на 157 страницах машинописного текстасодержит 32 рисунка, 44 таблицы и список использованной литературы из 109 наименований. Общий объем работы 339 страниц.

5.5. Выводы.

1. Экспериментальное исследование процессов формообразования и профилирования стружечных канавок металлорежущих инструментов выполнено при обработке дисковыми двухугловыми симметричными фрезами круговых винтовых поверхностей стружечных канавок зенкера и эллиптических цилиндрических поверхностей стружечных канавок метчиков и плоских протяжек.

2. Подготовка данных для эксперимента выполнена на ЭВМ ЕС-1033 с использованием разработанных комплексов программпри подготовке данных приняты значения наружных диаметров обрабатывающих фрез (60 мм и 70 мм) и диаметра посадочных отверстий (22 мм) — размеры конструктивных элементов и геометрических параметров металлорежущих инструментов заданы в соответствии с установленными стандартами. /3/, /5/, /7/.

3. С использованием спроектированных для экспериментальных работ дисковых двухугловых симметричных фрез обработаны стружечные канавки рассмотренных видов металлорежущих инструментовнастройка станка и делительной головки производилась в соответствии с рассчитанными величинами (полученными при подготовке данных для эксперимента) параметров установки фрез.

4. Сравнительный анализ фактических значений величин параметров полученных стружечных канавок с заданными показал, что отклонения номинальных размеров лежат в пределах установленных для них допусковзначения величины параметра шероховатости полученных поверхностей = (0,9 * 1,75) мкм, которые соответствуют требованиям стандартов к шероховатости поверхностей стружечных канавок рассмотренных видов металлорежущих инструментов.

5. Производительность процесса фрезерования стружечных канавок дисковыми двухугловыми фрезами может быть повышена за счет оснащения фрез пластинками твердого сплава и выбора рациональных схем резания.

6. ТЕХНЖО-ЭКОНОШЧЕ СКИЙ АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ ИССЛЕДОВАНИЙ.

Способ формообразования фасонных вогнутых поверхностей дисковыми инструментами, имеющими производящие поверхности вращения с прямолинейными образующими, в сравнении со способом формообразования дисковыми фасонными инструментами, характеризуется совокупностью известных положительных технико-экономических показателей, которые подтверждают практическую значимость исследований, направленных на разработку средств для эффективного использования данного способа в условиях производства. В результате выполненных теоретических и экспериментальных исследований разработана методика решения задач формообразования и профилирования различных видов номинальных фасонных вогнутых поверхностей дисковыми инструментами, имеющими производящие поверхности вращения с прямолинейными образующими, на основе которой разработаны программные средства для решения задач автоматизации конструкторско-технологической подготовки производства некоторых видов многолезвийных металлорежущих инструментовданные программные средства предназначены для использования при решении конструкторско-технологи-ческих задач, связанных с применением способа фрезерования поверхностей стружечных канавок зенкеров, метчиков, плоских протяжек дисковыми двухи одноугловыми фрезами.

Разработанная методика и программные средства обеспечивают возможность эффективного использования названного способа фрезерования в условиях инструментальных производств. Технико-экономическая эффективность внедрения в производство результатов исследований характеризуется следующими показателями:

I. Конструкции обрабатывающих дисковых двухи одноугловых фрез обладают достаточной простотой и технологичностью в сравнении с фасонными фрезами. При этом, обеспечивается возможность: а) экономии дорогостоящих инструментальных материалов за счет изготовления фрез сборных конструкций со вставными ножами из быстрорежущей стали или твердого сплаваб) повышения производительности процесса фрезерования за счет выбора рациональных геометрических параметров режущей части фрез и оснащения зубьев фрез пластинками твердого сплава.

2. В срезании припуска при обработке поверхностей стружечных канавок участвуют режущие кромки только одной стороны фрезы, обращенной навстречу направлению движения подачи, что обеспечивает: а) благоприятные условия процесса стружкообразования, близкие к свободному резаниюб) повышение устойчивости процесса фрезерования при отсутствии вибраций и возможное увеличение режимов резанияв) двухкратное использование одной фрезы (без переточек): сначала одной стороны, затем — другой.

3. Решение задачи унификации обрабатывающих фрез с использованием программных средств для одного вида и (или) для группы видов обрабатываемых металлорежущих инструментов.

4. Сокращение подготовительно-заключительного времени для настройки станка и исключение обработки пробных деталей при использовании рассчитанных с помощью программных средств значений величин установочных параметров фрез.

Результаты исследований внедрены в инструментальном производстве производственного объединения «ИЖМАШ» в виде методаки решения задач формообразования и профилирования фасонных вогнутых поверхностей стружечных канавок многолезвийных металлорежущих инструментов дисковыми угловыми фрезами (приложение 20), комплекса программных средств, документации по сопровождению и эксплуатации программных средств, документации по методике решения задач конструкторско-технологической подготовки инструментального производства с использованием ЕС ЭВМ (приложение 21) — в период передачи перечисленной документации были проведены эксплуатационные испытания программных средств при работе на ЭВМ EC-I022 в ОС версии 4.1 в режиме МFT. Производственные испытания по результатам работы с программными средствами выполнены в условиях инструментальных цехов объединения «ИЖМАШ» при обработке стружечных канавок металлорежущих инструментов на горизонтально-фрезерном станке модели 6M8I и универсально-фрезерном станке FASA фирмы TOS (ЧССР) с использованием дисковых двухугловыхфрез. Суммарный годовой экономический эффект от внедрения результатов исследований в условиях инструментального производства объединения «ИЖМАШ» составляет 21,4 тыс. руб. (приложение 22). Ниже приведен расчет экономической эффективности, по методике производственного объединения «ИЖМАШ» .

Расчетный технико-экономический эффект содержит следующие составляющие;

I. Снижение затрат на конструкторско-технологическую подготовку производства многолезвийных металлорежущих инструментов с использованием ЕС ЭВМ в два раза. При этом экономический эффект составляет:

Н*Т)*Ъ (240*24)* 0,729.

— ?099,52 />у£ 2 2 где Н — номенклатура проектируемых инструментов по базовому варианту производства (шт.);

Т — трудоемкость конструирования. одного вида инструмента по базовому варианту (час.);

Ь — часовая тарифная ставка конструктора с доплатами (руб.).

2. Экономия инструментальных материалов, снижение трудоемкости изготовления за счет сокращения номенклатуры обрабатывающих фрез для фрезерования стружечных канавок при замене фасонных фрез дисковыми угловыми фрезами составляет: а) за счет унификации [090*30)-(38*3)]*0,729 =4072,13 р"/"". где Нс — номенклатура инструментов второго порядка по базовому варианту производства (шт.) — тс — трудоемкость конструирования одного вида инструмента по базовому варианту (час.);

Нн — номенклатура инструментов второго порядка по новому варианту производства (шт.);

Тн — трудоемкость конструирования одного вида инструмента по новому варианту производства (час.) — б) за счет экономии материальных и трудовых ресурсов где — себестоимость инструмента по базовому варианту производства (руб.);

С2- себестоимость инструмента по новому варианту производства (руб.);

АС}АН — годовой объем производства инструментов второго порядка, соответственно" до и после внедрения (шт.).

Эу + Эм= 4072,19 + € 555 = 10 627,19 ру*.

3. Экономия за счет повышения стойкости обрабатывающих фрез при улучшении процессов стружкообразования при резании и возможного оснащения режущей части обрабатывающих фрех пластинками твердого сплава составляет: где — капитальные затраты, соответственно, до и после внедрения (руб.) — е — нормативный коэффициент сравнительной эффективности капитальных затрат (величина обратная нормативному сроку окупаемости). Для инструментальной отрасли промышленности Е = 0,2- ^ - коэффициент эквивалентности режущего инструмента старого и нового качества по его стойкости.

Нэ =1,п.

Суммарный годовой экономический эффект от внедрения результатов исследований в производство составляет:

Годовой экономический эффект подучен при расчете на часть номенклатуры металлорежущего инструмента. При последукь щем расширении области внедрения на полную номенклатуру металлорежущих инструментов (зенкеров, метчиков, плоских протяжек), находящихся в производстве, ожидаемый экономический эффект будет составлять около 29,3 тыс. руб.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

1. Определены общие положения о формообразовании на цилиндрических и плоских деталях семейства фасонных вогнутых поверхностей, допускающих движение «самих по себе», производящей поверхностью вращения с прямолинейными образующими для принятой схемы формообразования поверхностей дисковым инструментом.

2. Предложена классификация производящих поверхностей и определена совокупность параметров, характеризующих размеры и профиль производящей поверхности общего видаопределена совокупность параметров установки, характеризующих, в общем случае, положение производящей поверхности относительно обрабатываемой детали и направления движений при принятой схеме формообразования.

3. На основании классической теории огибающей семейства поверхностей получено общее уравнение номинальной фасонной вогнутой обыкновенной винтовой поверхности, как огибающей производящей поверхности вращения в ее винтовом движении.

4. Выполнено теоретическое исследование процессов формообразования и профилирования номинальных фасонных вогнутых поверхностей на цилиндрических и плоских деталях, в ходе которого рассмотрены поверхности различных групп и видов, определяемых установленными классификационными признаками.

5. Получены аналитические зависимости для расчетов координат профиля винтовых и цилиндрических поверхностей в торцовом сечении цилиндрической детали, а также профиля цилиндрических поверхностей в нормальном сечении, получаемых на плоских деталяхпредложены рекомендации по исследованию процессов формообразования и профилирования поверхностей вращения на цилиндрических деталях.

6. Предложены классификации: типов кривых профилей торцовых сечений круговых винтовых поверхностейтипов профилей винтовых и цилиндрических поверхностей с использованием по, лученных пропозициональных формул.

7. Предложена методика аналитического определения фактического профиля различных видов винтовых поверхностей в торцовом сечении детали при имитационном моделировании процесса профилирования с использованием детерминированной математической модели, которая разработана на основе теоретических положений и полученных аналитических зависимостей и реализована в диалоговом комплексе программ для ЕС ЭВМ и средств машинной.графики.

8. Выполненные численные эксперименты на ЭВМ с использованием комплекса программ подтверждают теоретические положения и эффективность предложенной методики решения задачи профилирования различных видов винтовых поверхностей дисковым инструментом с заданной производящей поверхностью при принятой схеме формообразования.

9. Определение фактического профиля цилиндрических поверхностей, получаемых на цилиндрических и плоских деталях дисковым инструментом с заданной производящей поверхностью при принятой схеме формообразования, может производиться по методике, аналогичной рассмотренной для винтовых поверхностей.

10. Предложены схемы профилирования круговых винтовых поверхностей и эллиптических цилиндрических поверхностей стружечных канавок многолезвийных металлорежущих инструментов при формообразовании дисковыми двухугловыми фрезамиданные схемы рассмотрены на примере зенкеров с винтовыми зубьями, метчиков с прямыми зубьями и плоских протяжек с прямыми и наклонными зубьями.

11. Разработана методика определения параметров установки дисковых двухугловых фрез, основанная на математическом моделировании процесса профилирования номинальных поверхностей стружечных канавок металлорежущих инструментов и современных численных методах решения одноэкстремальных задач многопараметрической оптимизации, а также методика определения параметров производящих поверхностей фрез с использованием полученных аналитических зависимостей и известных рекомендацийразработаны комплексы программ для ЕС ЭВМ и средств машинной графики.

12. Результаты выполненных на ЭВМ численных экспериментов с использованием разработанных комплексов программ при решении задачи профилирования стружечных канавок металлорежущих инструментов (зенкеров, метчиков, плоских протяжек), имеющих различные значения величин параметров, установленные стандартами, дисковыми двухугловыми фрезами с различными наружными диаметрами, подтверждают эффективность программных средств для решения задач автоматизации конструкторско-техно-логической подготовки производства перечисленных видов многолезвийных металлорежущих инструментов.

13. Результаты экспериментального исследования, выполненного при обработке стружечных канавок зенкера, метчиков и плоских протяжек дисковыми двухугловыми симметричными фрезами, подтверждают адекватность моделирующих алгоритмов и результаты численных экспериментов.

14. Результаты выполненных исследований, разработанные методика и программные средства для ЕС ЭВМ, позволяющие решать задачи автоматизации конструкторско-технологической подготовки производства некоторых видов многолезвийных металлорежущих инструментов, внедрены в условиях инструментального производства производственного объединения «ШШД» с годовым экономическим эффектом 21,4 тыс.рублей.

15. Разработанная методика теоретического исследования процессов формообразования и профилирования семейства фасонных вогнутых поверхностей дисковыми инструментами, имеющими производящие поверхности вращения с прямолинейными образующими, является общей для наружного и внутреннего сопряжения производящей поверхности с обрабатываемой деталью, а также для концевых и торцовых инструментов.