Классификация сложных поверхностей.

Рассмотрим возможные методы образования геометрических линий.

Если производящий элемент имеет вспомогательную материаль­ную линию, то образовать геометрическую линию возможно двумя методами. Методом копирования (рис.1), когда форма и протяженность вспомогательной материальной линии совпадают с формой и протяженностью образуемой линии. Последняя получается, как копия или как «зеркальное отражение» материальной линии. В этом методе образование линии происходит без движения формообразования: нужно только установочное движение для пере­мещения вспомогательного элемента в исходное положение.

Рис.1.2.

Если форма и протяженность материальной линии не совпадают с формой и протяженностью образуемой линии, то последнюю воз­можно образовать методом обкатки (рис.1.3), когда образуемая линия получается как огибающая последовательных положе­ний, занимаемых вспомогательным элементом при обкатке (обкаты­вании) им образуемой линии. Этот метод требует одного движения формообразования — движения качения. Недостатком метода копирования является неравномерный износ инструментальной (производящей) поверхности.

Рис.1.3.

Образовать геометрическую линию материальной вспомогатель­ной точкой возможно также двумя методами. При движении эта материальная точка будет оставлять след, который явится образуе­мой линией (рис.1.4.). Следовательно, линия образуется методом следа, для которого нужно иметь одно движение формообразования.

Рис.1.4.

Точка не может образовывать поверхности. Поверхность может образовываться только пятном. А стойкость инструмента и связанная с этим понятием точность обработки и производительность во многом определяются размерами пятна.

Материальнойточкой возможно образовать линию и другим методом (рис.1.5) когда образуемая линия является касательной к ряду дополнительных вспомогательных геометрических линий (например, прямых), образованных материальной точкой. При этом методе, называемом методом касания, требуются два дви­жения формообразования: одно — для образования дополнительных вспомогательных линий и другое — для такого их относительного расположения, при котором образуемая линия будет иметь заданные форму и протяженность.

Рис.1.5

Линия обеспечивает некоторое увеличение пятна контакта, по сравнению с методом копирования точкой, и уменьшение по сравнению с материальной вспомогательной линией. Но метод касания позволяет смещать точку касания по длине линии, повышая стойкость инструмента.

Возможна разновидность метода касания, характеризуемая тем, что вспомогательные геометрические линии образуются не методом следа, а методом касания (рис.1.6). В этом случае необходимо иметь три движения формообразования: два - для образования вспомогательных линий (например, прямых и окруж­ностей) и одно — для их относительного расположения. На прак­тике этот метод применяется очень редко (мнение А.А. Федотенка).

Рис.1.6.

На рис.5 представлена схема обработки контура поверхности концевыми фрезами и абразивными кругами. Это наиболее распространенная схема обработки на современных станках с ЧПУ. (Мнение авторов)

Таким образом, геометрическую линию по теории Федотенка возможно образовать четырьмя методами со следующим количеством движений формообра­зования:

а) методом копирования (без движений формообразования);

б) методом обкатки (при одном движении формообразования);

в) мето­дом следа (также при одном движении формообразования);

г) мето­дом касания (при двух и более движениях формообразования).

Для того чтобы создать заданную поверхность, необходимо иметь образующую и направляющую геометрические производящие линии соответствующей формы, каждую из которых возможно образовать указанными четырьмя методами. Отсюда следует, что методы образо­вания поверхности будут составляться из методов образования про­изводящих геометрических линий образуемой поверхности, сочета­ний которых может быть много. Поэтому метод образования поверх­ности будет зависеть не только от формы вспомогательного элемента (инструмента) и метода образования каждой геометрической произ­водящей линии в отдельности, но и от сочетания методов геометри­ческого образования производящих линий.

Из вышесказанного видно, что определенной форме режущего лез­вия (материальная линия или материальная точка) соответствуют вполне определенные методы геометрического образования поверх­ностей. Это позволяет определить количество движений формо­образования, как сумму количеств движений формообразования, необходимых для создания двух производящих линий, если отсут­ствуют совмещенные движения формообразования. Совмещенные движения возможны, если режущий инструмент имеет несколько лезвий с таким относительным расположением их, которое позволяет одним движением формообразования создавать обе производящие геометрические линии образуемой поверхности.

В общем случае количество формообразующих движений опре­деляется в зависимости от формы режущих лезвий, от формы инстру­мента и от методов образования производящих линий образуемой поверхности следующей зависимостью:

Н_ф = Н₀+Н_н -1/2 Н_с,

где

Н₀ — количество формообразующих движений для создания

образующей линии геометрической поверхности;

Н_н — количество формообразующих движений для создания

геометрической направляющей линии;

Н_с — количество совмещенных движений при формообразовании.

Значения Н₀ и Н_н определяются соответственно по методу образо­вания производящих линий, а значение Н_с определяется из анализа схемы движений; чаще всего Н_с = 0 (совмещенные движения отсут­ствуют) или Н_с = 2 (совмещены лишь два движения).

Исходя из методов образования геометрических линий, можно уста­новить, что при методе двойного следа необходимо располагать тремя отдельными движениями формообразования.

Рациональное минимальное количество движений формообразования, необходимых для образо­вания поверхностей резанием, зависит от ряда факторов и, прежде всего, от выбранного метода геометрического образования поверх­ности. К числу этих факторов относятся:

1) характер разделения заданной поверхности на элементарные поверхности;

2) выбор обра­зующей из двух геометрических производящих линий на образуемой поверхности;

3) форма производящего элемента и его геометрического положения относительно образуемой поверхности;

4) методы гео­метрического образования как образующей, так и направляющей линий.

1. Разделение заданной поверхности на ряд элементарных поверх­ностей всегда связано с двумя противоречивыми моментами. С одной стороны, элементарные поверхности по протяженности меньше всей заданной поверхности, и поэтому для образования их легче изгото­вить режущий инструмент. Вместе с тем оно всегда делает необ­ходимым делительный процесс, осуществление последнего связано с необходимостью иметь отдельное движение деления, а, следова­тельно, и довольно сложный отдельный делительный механизм, что усложняет изготовление станка и его эксплуатацию. Следовательно, решение вопроса может быть найдено только в результате технико-экономических расчетов, определяющих выгоды выбора того или иного варианта. Выбор второго варианта в случае нарезания одновенцовых зубчатых колес выгоден только при очень больших масштабах производства цилиндрических колес одного модуля и с одним и тем же числом зубьев.

2. Выбор образующей из двух геометрических производящих ли­ний на образуемой поверхности определяется прежде всего следую­щим положением: всегда желательно одну из геометрических произ­водящих линий сделать материальной линией (лезвием) с тем, чтобы применить для образования одной производящей линии метод копи­рования, который в сочетании с методом следа приводит к мини­мальному количеству движений формообразования, следовательно к простому и производительному станку. Однако этому препятствует плохая работа режущего лезвия при большой его протяженности и большой кривизне (т.е. малых радиусах кривизны). Поэтому в качестве образующей линии нужно выбирать более короткую и пологую; лучше, если она будет прямолинейной.

3. Выбор формы производящего элемента (линия или точка) зависит от многих технологических факторов и прежде всего от тре­бований, предъявляемых к точности и чистоте образуемой поверхности и к производительности. Следовательно, этот выбор должен опре­деляться специальными расчетами на точность, чистоту и произ­водительность для каждого конкретного случая. В общем виде, этот вопрос пока решить еще очень трудно, так как и здесь немаловажную роль играют технико-экономические факторы.

4. Также и методы геометрического образования как образующей, так и направляющей линий выбираются в каждом отдельном, кон­кретном случае с учетом всех технологических факторов и, в част­ности, с учетом вида обработки металла. Немаловажное "влияние" оказывает выбор метода геометрического образования поверхности на ее качество. Если технологические условия выбора метода гео­метрического образования поверхности не являются решающими, то, имея в виду получение и использование более простого и дешевого станка, следует отдавать предпочтение методам, требующим мини­мального количества движений, обеспечивающих геометрическое образование поверхности (движения формообразования, деления и врезания). [1]

Проблема, возникающая при использовании данной классификации, заключается в том, что А.А.Федотенок исследует только правильные движения геометрических точек и линий для образования правильной формы деталей. В своих рекомендациях автор постоянно предлагает читателю самостоятельно решать вопрос целесообразности применения того или иного способа образования поверхности детали. Авторы настоящего исследования предлагают рассмотреть проблему со стороны формы деталей и качества ее поверхности в зависимости от технологических факторов.

Под обкаткой у А.А.Федотенка следует понимать как бы качение (перемещение) инструмента по заготовке по определенной траектории. Это коренным образом отличается о понятии "метод обката", который предполагает взаимно зависимые, то есть согласованные, перемещения инструмента и заготовки. Возьмем пример обработки винтовой канавки дисковым инструментом. Очевидно, что профиль инструмента не является копией профиля винтовой канавки ни в одном сечении. Более того, профиль канавки определяется профилем инструмента, наладочными параметрами и углом перекрещивания осей инструмента и заготовки. Ранее этот метод образования поверхностей назывался безцентроидным огибанием. Российским ученым Г.Н. Кирсановым доказано существование центроиды при данном виде обработки, то есть образование винтовой канавки – это классический обкат, с точки зрения инструментальщиков, машиноведов и др. специалистов, изучающих взаимное перемещение тел в пространстве. Но образование резьбы фрезами или накатниками – это в принципе тот же процесс (с точки зрения схемы формообразования), что и винтовой канавки сверла, то есть обкат, а не копирование. Просто погрешности формообразования не выходят за пределы допуска на детали, но они существуют и уже достаточно изучены, в работах Т.А. Султанова. Более сложные проблемы возникают при обработке винтовых канавок на внутренних поверхностях. В этом случае параметры установки инструмента и форма его сечения взаимно связаны. Профилирование подобных инструментов – задача так же решенная и проблем по части формообразования не вызывает.

Другой пример – это обработка профилей накатыванием и резанием. При накатывании происходит качение накатника по детали или наоборот, то есть происходит взаимный обкат, при котором автоматически появляются центроиды (катающие диаметры, например). Поступательное и вращательное движения связаны вполне определенными законами. При резании или шлифовании вращение цилиндрической фрезы в процессе обработки плоскости не имеет кинематической связи со скоростью ее перемещения относительно детали, то есть, центроиды в данном случае нет. По А.А. Федотенку эти схемы называются обкатом. Отсюда можно сделать вывод – теория А.А.Федотенка предназначена и может быть использована только для разработки кинематической схемы перемещения узлов металлообрабатывающего оборудования, но не для разработки кинематической схемы процесс обработки, что подтверждается даже существенными различиями в терминологии.

Другим недостатком теории А.А.Федотенка является моделирование формообразования с помощью движения линий и точек. Формообразование происходит не линией или точкой, а элементом поверхности. При обработке всегда существует контакт, а в месте контакта – пятно контакта. Это пятно только абстрактно можно представить себе как точку или линию. Кроме того, обработка, даже лезвийным и абразивным инструментом, практически всегда связана с температурным или силовым воздействием на формируемую поверхность, что так же вызывает отклонения формы. Поэтому, для разработки методологии формообразования сложных поверхностей необходимо учитывать реальную форму пятна контакта и комплекс силовых и температурных воздействий на обрабатываемую поверхность.

Для проведения анализа известных методов образования поверхностей с позиций возможностей получения собственно требуемой формы и ее точности необходимо провести анализ самих методов формообразования.

Примером теоретически неправильного, но очень успешного технического решения является схема обработки винтовых канавок на оборудовании фирмы «Гьюринг», при изготовления спиральных сверл. На станках этой фирмы винтовые канавки осевых инструментов делаются кругами большого диаметра, хотя многочисленные работы доказывают, что теоретически правильная канавка получается инструментом малого диметра, зависящим, в том числе, и от угла подъема канавки. Только в этом случае можно обеспечить теоретически правильную форму сечения канавки, при которой при пересечении ее с задней поверхностью режущие кромки прямолинейны. Но, на сверлах фирмы «Гьюринг» введены небольшие конструктивные изменения, а именно подточка поперечной кромки с передней поверхностью пера, компенсирующие эту «неправильность» канавки и фирма захватила мировой рынок осевых инструментов, а ее схема обработки винтовых канавок на сверлах стала хрестоматийной. В этой схеме учтены технологические особенности изготовления и эксплуатации, т.к. практически на всех сверлах при переточках выполняют операцию подточки перемычки, что обеспечивает высокую производительность и устойчивость технологических параметров.

Применение различных технологических методов получения поверхностей связано, во многом, со свойствами обрабатываемого материала. Из комплекса механических свойств, наибольшее влияние на выбор технологического метода имеет твердость. Многочисленными исследованиями установлено, что твердость пропорционально связана с прочностью (s_в= 0,33НВ). Для твердых и хрупких материалов эта зависимость носит неопределенный характер с большим разбросом результатов. Если попытаться в графической форме представить применяемость различных методов формообразования в зависимости от твердости материала, то картина принципиально представлена на рис.1.7.

Для примера рассмотрим образование идеальной плоскости и погрешности, связанные с применением различных технологических методов. Погрешности целесообразно разделить на деформационные, вызванные деформацией технологической системы, вследствие воздействия сил, действующих в процессе обработки, и кинематические, являющиеся несовершенством кинематики взаимного перемещения инструмента и заготовки.

Для методов, связанных со сквозным деформированием материала заготовки характерно упругое последействие пластической деформации. То есть упругая деформация, обратная по знаку пластической, величина которой прямо пропорциональна величине напряжений. Величина такой деформации весьма существенная.

Для методов, связанных с поверхностной деформацией – обкатывание, калибрование и т.д., упругое последействие не имеет большого значения. Но для этих методов имеет значение пере упрочнение поверхностных слоев и отслаивание их от основного материала. Область применения этих методов весьма ограничена.

Для методов, связанных с резанием и шлифованием, упругое последействие практически не имеет значения. Эти методы позволяют получать значительно большее количество форм поверхностей и на значительно большем диапазоне материалов. Но эти методы менее производительны, чем деформационные и требуют частого восстановления формы инструмента.

Принципиально существует два варианта обработки: связанных с силовым воздействием инструмента на обрабатываемую деталь:

1. При наличии силового воздействия (резание, шлифование, пластическая деформация);

2. Методы без силового воздействия, связанные с растворением или испарением материала детали (ЭФО, ЭХО, лазерный луч, поток плазмы и др.). Эти методы не являются предметом настоящего исследования в силу чрезмерной их энергоемкости, либо малой производительностью, либо наличием проблем с формообразованием только при изготовлении профильных электродов, которые изготавливаются традиционными методами, т.е. резанием и шлифованием.

Для анализа множества технологических методов получения поверхностей целесообразно определить органические недостатки каждого из них и определить область их применения и возможные пути устранения.

Рассмотрим методы, связанные с силовым воздействием. Наиболее простую поверхность - плоскость, можно получить множеством способов, по многочисленным схемам, каждая из которых имеет достоинства и недостатки. Образование плоскости может происходить по схемам, представленным на рис.1.7. Попробуем проанализировать эти схемы с позиций точности получения плоскости.

а) строгание

б) фрезерование

в) шлифование

Рис. 1.7. Схемы образования плоскости

Очевидно, что схема строгания дает относительно плоскую поверхность, вследствие малого периода врезания; сила воздействия при одинаковой глубине резания будет постоянной и величина деформации технологической системы тоже должна оставаться постоянной. При обработке по другим схемам график изменения усилия имеет подъем в начале контакта и падение на выходе инструмента. Вид обработки – резание фрезами, шлифование кругами или накатывание – принципиально ничего не меняет, меняется только величина усилия и деформации.

Неравномерность припуска приводит к трудно устранимым последствиям рис.1.7. Возникает явление, которое получило название технологической наследственности. Причиной этого является некое минимальное усилие, с которым инструмент должен воздействовать на деталь для обеспечения процесса формоизменения. В зависимости от величины этого усилия и жесткости технологической системы возникает или сохраняется погрешность формы детали. При идеальных условиях первоначальную неровность поверхности заготовки можно свести до незначительных значений, но избавиться от этого явления окончательно очень сложно. Для этого требуется практически абсолютная жесткость технологической системы.

При обработке по другим схемам график изменения усилия имеет подъем в начале контакта и падение на выходе инструмента.

Вышесказанное позволяет сформулировать задачи исследования:

1. Исследование кинематики схем формообразования и анализ их с точки зрения точности и производительности обработки.

2. Исследование силового воздействия инструмента на деталь в процессе обработки и оценка последствий этого.

3. Разработка схем обработки, где формоизменение инструмента в процессе износа не оказывает существенного влияния на процесс формообразования. Определение баланса точности и технологичности.