А. Е. Стешков методология проектирования металлорежущих инструментов

Вестник Брянского государственного технического университета. 2006. № 2 (10) УДК 621.9.02.061.63(075.8)А.Е. СтешковМЕТОДОЛОГИЯ ПРОЕКТИРОВАНИЯ МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ ИНСТРУМЕНТОВПриведена методология проектирования простых и сложных режущих инструментов на основе теории проектирования инструментов и современного уровня требований к ним. Предложены алгоритмы проектирования с необходимыми пояснениями.Инструменты как принадлежности станка при механической обработке группируют в две подсистемы: 1) подсистема простых инструментов (резцы; инструменты для обработки отверстий; торцевые, цилиндрические, концевые фрезы; круглые протяжки и др.); 2) подсистема сложных инструментов (фасонные, зубо- и резьбообрабатывающие инструменты; шлицевые протяжки; обкаточные инструменты). Инструменты первой подсистемы не требуют сложных расчетов при проектировании, и в связи с простой формой режущих кромок нет необходимости их профилирования (определения профиля режущей кромки). Проектирование простых инструментов называют одноэтапным, при этом выполняют только конструирование, т.е. выбор и расчет параметров конструкции заданного типоразмера инструмента. Алгоритм проектирования таких инструментов имеет следующую последовательность: 1. Выбирают конструктивное исполнение инструмента по известной типовой конструкции (цельный, сборный, составной) и способу его крепления на станке (хвостовой, насадной). 2. Назначают материал рабочей части, а для составных и сборных инструментов – корпуса, и крепежные элементы. 3. Разрабатывают конструкции рабочей и крепежной частей (конструирование), для чего определяют количество режущих лезвий, их геометрию, размеры зубьев и стружечных канавок, рассчитывают исполнительный размер (для размерных инструментов), выбирают форму и размеры корпуса и крепежной части и выполняют проверочные расчеты (прочность и надежность крепежной части и лезвия, заполнение стружечной канавки, жесткость инструмента и др.). 4. Назначают технические требования (твердость различных элементов конструкции, точность формы и размеров, точность расположения, шероховатость, способ присоединения рабочей части у составных инструментов и др.). 5. Разрабатывают чертеж инструмента. При проектировании современных режущих инструментов, таких как резцы, фрезы, сверла, зенкеры, расточные головки и блоки, предпочтительными следует считать сборные конструкции со сменными многогранными пластинами (СМП). В этом случае дополнительно выбирают материал, форму, размеры, геометрию и класс точности режущей пластины, подбирают к ней опорную пластинку, рассчитывают и выбирают размеры опорной поверхности под пластинку в корпусе инструмента и принимают один из способов крепления пластины (прихватом, винтом через отверстие в пластине, качающимся рычагом или клином-прихватом). Для некоторых перетачиваемых инструментов (резцов, сверл) назначают соответствующую условиям их работы форму заточки. Сложные инструменты проектируют в два этапа. Вначале для них определяют исходную инструментальную (производящую) поверхность (ИП). Инструментальной поверхностью называют такую условную поверхность, где наиболее точно должны быть расположены профили формообразующих элементов проектируемого инструмента. Для лезвийного режущего инструмента это профили режущих кромок, для фасонного шлифовального – профиль шлифовального круга. Алгоритм проектирования сложных инструментов имеет следующую последовательность: 1. На первом этапе определяют ИП, при этом: 1.1. Устанавливают способ взаимодействия ИП с обрабатываемой поверхностью Д заготовки и форму ИП. 1.2. Определяют габаритные размеры ИП, например диаметр и ширину для инструментов с вращательным главным движением (фасонные фрезы). 1.3. Выполняют профилирование ИП (нахождение профиля) аналитическим расчетом или графическим построением на ЭВМ с оценкой точности профилирования (определением погрешности профиля ИП). 2. На втором этапе превращают ИП в инструмент как материальное тело, при этом: 2.1. Конструируют инструмент (практически по тому же алгоритму, что и для простых инструментов). 2.2. Выполняют профилирование формообразующих элементов инструмента, которое для лезвийного инструмента заключается в коррекции профиля режущей кромки с целью максимального его приближения к ИП или области, достаточно близкой к ней. 2.3. Определяют погрешность профилирования формообразующих элементов и суммарную погрешность профилирования с учетом погрешности ИП, оценивают ее путем сравнения с допуском на точность профиля обрабатываемой поверхности. 2.4. Решают обратную задачу для нетиповых и особо точных инструментов, при которой по найденному профилю проектируемого инструмента определяют фактический профиль обрабатываемой им поверхности и корректируют профиль инструмента, если не обеспечивается заданная точность профиля обрабатываемой поверхности (эта задача наглядно, точно и достаточно быстро решается на ЭВМ с помощью современной компьютерной графики). 2.5. Назначают технические требования на инструмент. 2.6. Определяют основные эксплуатационные показатели проектируемого инструмента. 2.7. Разрабатывают чертеж. 2.8. Выполняют технико-экономическое сравнение по основным показателям нового спроектированного инструмента с известным, ранее применяемым. Способов взаимодействия ИП и Д только два: 1) ИП совпадает с Д; 2) ИП касательна к Д. В первом случае формообразование поверхности Д происходит по методу, названному «движением самой по себе». Форма ИП определяется формой поверхности Д. ИП и Д контактируют по всей обрабатываемой поверхности, номинальный габаритный размер Д (или несколько размеров) переносится на ИП. Фактический размер ИП рассчитывают с учетом допускаемых отклонений Д. Пример – обработка круглого отверстия протяжкой, когда номинальный диаметр отверстия будет равен номинальному диаметру ИП. Форма ИП в данном случае – поверхность цилиндра диаметром Д. Этот способ относится к протяжкам, прошивкам, метчикам, плашкам, резьбовым головкам и гребенкам, фасонным круглым и призматическим радиальным резцам. При касательном взаимодействии ИП с Д формой ИП будет поверхность какого-то объекта, размеры которого не зависят от Д, а его контакт с Д является линейчатым или точечным. Так, при обработке дисковым инструментом формой ИП является поверхность диска. Для червячных инструментов формой ИП будет винтовая поверхность исходного червяка. Формообразование при этом происходит по методам копирования, центроидного или бесцентроидного огибания. Данный способ относится к дисковым и другим фасонным фрезам, фасонным тангенциальным резцам, профильным шлифовальным кругам, вихревым резьбонарезным головкам, обкаточным инструментам. Габаритные размеры ИП рассчитывают по установленным для каждого инструмента зависимостям. Правильность формообразования Д обеспечивается при соблюдении следующих условий: 1) подрезы профиля Д отсутствуют или сведены до минимально допустимого предела; 2) переходные участки (переходные кривые) во впадинах профиля Д не выходят за допустимые пределы; 3) отсутствует заострение вершин профиля формообразующих элементов ИП (наличие переходной кромки). При проектировании таких инструментов необходимо выполнять проверочные расчеты этих условий. Профилирование ИП – это способ нахождения ее профиля в необходимом сечении. При совпадении ИП с Д профиль Д переносят на ИП без коррекции, но допуски на точность профиля ужесточают не менее чем в три раза. Так же поступают в случае, когда ИП касательна к Д и формообразование происходит по методу копирования (профили дисковых инструментов, таких как фасонные фрезы и шлифовальные круги, профилирующие накатные ролики). При формообразовании по методу бесцентрового огибания (обработка винтовых канавок дисковым инструментом) точки контакта ИП и Д находятся в разных сечениях, образующих семейство секущих плоскостей, а линией контакта является сложная пространственная кривая. Профиль ИП в ее осевом сечении находят с помощью аналитических или графических методов. Еще более существенно отличается профиль ИП при формообразовании по методу центроидного огибания. Превращают ИП в инструмент одним из двух способов: 1) полным переносом всей ИП на инструмент; 2) переносом отдельных участков ИП. Первый способ используют при проектировании сложных шлифовальных и некоторых деформирующих инструментов, например роликов при прокатке винтовых стружечных канавок сверл. Дальнейшее проектирование инструментов в этом случае сводится к определению остальных конструктивных размеров, выбору материала и назначению технических требований. Второй способ применяют при проектировании лезвийных инструментов, для которых находят оптимальное число лезвий, выбирают форму зуба и стружечной канавки, форму расположения передней и задней поверхностей, элементы самого лезвия (переходные кромки, радиус округления режущей кромки, стружкоразделительные элементы) и остальные конструктивные размеры, т.е. полностью конструируют инструмент. В этом случае теоретической режущей кромкой инструмента должна являться линия пересечения передней, задней поверхностей лезвия и ИП. Наличие переднего и заднего углов приводит к отклонению фактической режущей кромки от ИП, что вызывает погрешность профиля Д. Поэтому после конструирования у таких инструментов выполняют профилирование (коррекцию профиля режущей кромки с целью максимального ее приближения к ИП). Если передний или задний угол инструмента равны нулю, то необходимости в профилировании нет. При коррекции профиля режущей кромки пересчитывают значения высотных параметров профиля. Поперечные размеры профиля при этом оставляют без изменения. Если профиль задан угловым параметром или радиусом дуги на отдельных участках, то корректируют и их значения для режущей кромки. Далее находят погрешность профилирования режущей кромки, суммарную погрешность профилирования с учетом погрешности профиля ИП и проверяют соблюдение условия точности профилирования путем сравнения суммарной погрешности с допуском на точность профиля Д. Фактический профиль Д при обработке его проектируемым инструментом может в ряде случаев отличаться от заданного чертежом из-за влияния подрезов, переходных кривых на отдельных участках. Поэтому после профилирования следует проводить проверочные расчеты, связанные с определением величин подрезов и размеров и форм переходных кривых. Это действие, называемое решением обратной задачи, выполняют для особо точных и нетиповых (ранее неизвестных) инструментов. Технические требования на инструмент выбирают по соответствующим стандартам или справочной литературе. При разработке чертежа целесообразно использовать компьютерную графику. Основным эксплуатационным показателем инструмента является его стойкость, т.е. суммарное время работы инструмента до постепенного отказа, после чего необходимо восстановление его режущих свойств. Повышение стойкости обеспечивают выбором оптимальной геометрии инструмента, его материала, применением доводки лезвий, нанесением износостойких покрытий. Повышение стойкости позволяет снизить расход инструмента. Расход инструмента на годовую программу рассчитывают с учетом заданной стойкости, времени обработки инструментом одной детали и количества восстановлений (переточек) до достижения предельного состояния. Экономический эффект нового спроектированного инструмента (в сравнении с ранее применявшимся) может быть получен вследствие повышения его работоспособности, производительности обработки, улучшения качества обрабатываемого изделия, снижения затрат на инструмент при изготовлении и эксплуатации.Материал поступил в редколлегию 20.02.06.