Методика определения границ переходных процессов при размерной настройке инструментов для программирования сверления отверстий на станках с ЧПУ

УДК 658.512                                             

В работах [1, 2] приводится метод решения задачи определения положения систем координат заготовки и инструмента в начальной и конечной точках траекторий резания, а также величин врезания и выхода концевых и торцевых фрез для размерной настройки при обработке плоских поверхностей на станках с

ЧПУ. Аналогично при программировании обработки внутренних открытых и полуоткрытых цилиндрических поверхностей вращения сверлами на станках с ЧПУ от оптимального расположения системы координат инструмента и заготовки зависит основное (машинное) время и, как следствие, затраты на об- работку. При этом важнейшее значение приобретает учет границ переходных процессов (врезания и выхода сверла). Во время переходных процессов динамически меняются составляющие силы резания, наблюдается нестабильность упругих деформаций технологической системы, что может приводить к затуплению, перегреву и поломке инструмента. Поэтому производители сверл в каталогах инструментов и онлайн-калькуляторах режимов резания рекомендуют их различные значения для переходных процессов и устойчивого резания [3‒4].

Для снижения негативных последствий переходных процессов при сверлении предлагаются способы регистрации начала такого процесса при выходе сверла из отверстия по снижению осевой силы; увеличению крутящего момента; перемещению в направлении оси сверла слоя металла, расположенного под режущей кромкой и др. [5]. Предлагаемые решения требуют использования специальных конструктивных решений повышающих стоимость изготовления деталей.

В современном машиностроении широкое распространение получили станки с ЧПУ. При их про- граммировании возможно предусмотреть изменение режимов резания в любой момент времени и траектории движения инструмента и заготовки. Для подготовки управляющих программ широкое распространение получили CAM-системы: Компас ЧПУ, T-Flex ЧПУ, SiemensNX, MasterCAM, EdgeCAM, SolidCAM, Прамень ЧПУ, Creo, CATIA, PowerMill, Esprite и др. [6‒9].

Однако, современные CAM-сиcтемы, а также онлайн-калькуляторы не позволяют учесть все разнообразие форм режущих частей современных сверл, в автоматическом режиме определять и (или) задавать длины врезаний, устойчивого резания и выходов инструментов для задания различных щадящих режимов резания, и, как следствие, оптимально расположить системы координат инструмента и заготовки в начальных и конечных точках траекторий резания (рис. 1). В справочной и учебной литературе лишь приводятся рекомендации по определению основного времени для некоторых вариантов врезания некоторых сверл без учета различия их режущих частей [10‒11].

Рисунок 1 – Некоторые интерфейсы задания параметров размерной настройки в MasterCAM и SiemensNX

Поэтому целью работы является разработка методики и программного обеспечения для определения минимальных величин врезания и выходов сверл, координат их начальных и конечных положений, а также основного времени для программирования сверления отверстий на станках с ЧПУ.

Для достижения указанной цели были поставлены и решены следующие задачи:

• 1.   Составлены принципиальные расчетные схе-

• мы и математические модели для определения минимальных величин врезаний и выходов, длин рабочих ходов, координат начальных и конечных положений сверл в зависимости от условий врезания, выхода и геометрических параметров их режущих частей;

• 2.    Разработаны общие модели для определения затрат основного (машинного) времени;

• 3.    Разработан алгоритм функционирования и общая структура программного обеспечения по опре-

• делению длин рабочих ходов, минимальных величин врезаний и выходов, координат начальных и конечных положений сверл;

• 4.    Разработано программное обеспечение реализации моделей, проведена его комплексная отладка и предварительные испытания, а также разработаны программные документы.

Для исследования и решения, поставленных в работе задач использовались методы теории автоматизации проектирования, аналитической геометрии, системно-структурного анализа и моделирования. Проводился анализ литературных источников, электронных изданий, опыта использования систем автоматизированного проектирования на предприятиях, а также анализ конструкторской и технологической документации в соответствующих бюро машиностроительных заводов.

РЕЗУЛЬТАТЫ ИССЛЕДОВАНИЙ

При формировании общих моделей для определения затрат основного (машинного) времени установлено, что в практике использования наиболее широкое применение находят варианты врезания и выхода сверл относительно плоскости (перпендикулярной или наклонной) или цилиндрической поверхности (наружной и внутренней симметрично или со смещением). Прочие варианты могут быть к ним приведены.

Различные сочетания поверхностей врезания и выхода инструментов задают различные положения системы координат инструмента относительно системы координат заготовки 42 различными способами. Эти способы определяют общие принципиальные расчётные схемы для определения длины рабочего хода инструмента L_px , величины врезания L_вp , величины выхода L_вых , а также координат начального и конечного положения инструмента (Е и Е ) в системе координат заготовки (W_h и W_k ) .

Так на рисунке 2 показаны некоторые примеры принципиальных расчетных схем. На схемах тройной штриховой линией обозначены в общем виде формы режущих частей инструментов.

На основе принятых обозначений длина рабочего хода в общем виде может определяться по формуле:

px вp уст вых под нвр квых вых , где Lуст – длина устойчивого резания; Lпод – длина подвода инструмента (принимается 2…3 мм); Lнвр – расстояние между системой координат заготовки и точкой начала врезания инструмента; L – расстояние между системами координат заготовки (определяется заданным на чертеже размером); Lквых – расстояние между системой координат заготовки и точкой начала выхода инструмента.

Включение перечисленных составляющих в формулу длинны рабочего хода и знаки перед L_нвр , L и L_квых зависят от геометрических условий вреза-

Рисунок 2 – Пример общей принципиальной расчетной схемы для врезания сверла по плоскости перпендикулярной инструменту и с выходом по наклонной плоскости ния и выхода инструментов, а также расположения систем координат Wh и Wk.

Так для схемы, показанной на рисунке 2:

px вp уст вых под           квых     вы х ,

Таким образом, затраты основного (машинного) времени Tо на переход в общем виде могут определяться по формуле:

где s 1 - подача на оборот при врезании; s₂ - подача на оборот при устойчивом резании; S 3 - подача на оборот при выходе инструмента.

Величины врезания и выхода инструмента:

вp под вр1 вр2 , вых вых1 пер вых2 , где Lвр1 – длина врезания инструмента, обусловленная геометрией его режущей части инструмента; Lвр2 – длина врезания, обусловленная геометрией заготовки; Lвых1 = Lвр1 – длина выхода инструмента, обусловленная геометрией его режущей части;

L_пер – длина перебега (принимается 2...3 мм); L_вых2 – длина выхода инструмента, обусловленная геометрией заготовки.

В результате анализа каталогов фирм производителей осевых инструментов проведена классификация их режущих частей. Так установлено, что все многообразие режущих частей сверл можно свести к 8 вариантам (рис. 3).

Для расчета величин врезания инструментов L_вр1 , обусловленных геометрией его режущих частей, составлены соответствующие расчетные схемы, позволяющие сформировать математические модели для их определения (рис. 4).

Согласно рисунку 4 а из ∆АВС

Lвp1 = АВ = ВС / tgφ = D / 2tgφ.

Согласно рисунку 4 б из треугольников ∆АВС и ∆СDE

Lвp1 = АF = АВ + СD =

D         .

--0,2---sin г»

tgT

+ 0,2D-cos^

Рисунок 3 – Варианты режущих частей свёрл:

а – спиральное, шнековое, эжекторное с одноплоскостной заточкой;

б – спиральное с двухплоскостной заточкой; в – спиральное с закруглёнными режущими кромками; г – спиральное конструкции В.И. Жирова;

д – спиральное с прорезной перемычкой; е – спиральное со стачиванием перемычки;

ж – ружейное; з – кольцевое, со сменными пластинками

аб  в

Рисунок 4 – Примеры расчетных схем для определения L _вр1 некоторых видов сверл: а – спиральное, шнековое, эжекторное с одноплоскостной заточкой;

б – спиральное с двухплоскостной заточкой; в – спиральное конструкции В.И. Жирова

Согласно рисунку 4 в из треугольников ∆АВС , ∆СDE и ∆EFG:

= JH = AB + CD + EF = HG F° DE

Lgpi

tg(p

+ EG • со$ф7 + EC-созф? =

= (GH - AJ -0,2-GH -2-81пфу -0,15-GH ■2-sгnф2)■ctgф-v + 0,2GH-2• sin фу • ctgфy +

+ 0,15-GH-2-81пф2 •ctgф7 =

= \—-/—0,2В-81пфу -0,15В-81пф2 I-

• ctgф + 0,2D • sin фу • ctgфу + 0,15D • 81пф2 ■ ctgф2

траектории при врезании Z_нвр1 , в конечной точке траектории при врезании Z_нвр2 , начальной точки траектории при выходе Z_квых1 и конечной точке траектории при выходе Z_квых2 ) были составлены соответствующие расчетные схемы. Некоторые схемы для определения этих параметров при сверлении приведены на рисунках 5 и 6. При этом установлено, что принципиальное отличие для сверления при расчетах имеют варианты с наличием горизонтальной режущей кромки перемычки и без неё.

Согласно рисунку 5 а из ∆СED , ∆АВO и ∆АВC :

L нвр

= CD = ED / ctgα = x / ctgα, Lвр2

В таблице 1 приведены математические модели для определения L_вр1 для различных режущих частей сверл.

Для определения таких параметров размерной настройки, как расстояния между системой координат заготовки и точкой начала врезания инструмента L_нвр , расстояния между системой координат заготовки и точкой начала выхода инструмента L_квых , длины входа инструмента, обусловленной геометрией его режущей части L_вр1 , длины входа (выхода), обусловленной геометрией заготовки L_вр2 , а также координат начального и конечного положений сверла в системе координат заготовки (в начальной точке

Тогда

Lвp = Lпод + Lвр1 + Lвр2 = Lпод + Lвр1 +^Iga

Z нвp2

Z нвp1

-

L

нвp

+ L под

X ctga

+ L

под,

- Lнвp -

вр2 вр1

x D _t t

- -tga - Lвр1 .

Согласно рисунку 5 б из ∆AСD и ∆АВC :

Lнвр = DB = RS, Lвр2 = AB = BD - AD =

=

Таблица 1 – Сводная таблица для определения величин врезания сверл L _вр1 , обусловленных геометрией их режущих частей

Сверло		вр1     вых1
Спиральное с одноплоскостной заточкой		D / 2tgφ
Спиральное с двойной заточкой		D - 0,2D • sin фх . _ -------------— + 0,2D • cos ф, 21§ф
Спиральное для сверления чугуна (по В.Г. Жирову)		| — - 0,2D • sin ф - 0,15D • sin ф | • ctgф + + 0,2D • sin ^ • ctgф^ + 0,1 5D • sin ^ ' cfg
Сверло	вр1     вых1	Сверло	вр1     вых1
Спиральное с закругленными режущими кромками	R 1R2 Л — л A-- V      4	Пушечное	D + / 2 tga
Спиральное со стачиваемыми перемычками	--/ -COS Ф (2   )	Ружейное	D , --v b-ctga 2
Спиральное с прорезной перемычкой	(D Л --/ -COS Ф (2   )	Шнековое	D / 2tgφ
Кольцевое (или со сменными пластинками)	0	Эжекторное	D / 2tgφ

б

а

Рисунок 5 – Примеры расчетных схем для определения параметров размерной настройки при врезании сверл: а – врезание под углом, б – врезание по цилиндру симметрично

'кбых

аб

Рисунок 6 – Примеры расчетных схем для определения параметров размерной настройки при выходе сверл: а – выход по наружному цилиндру со смещением, б – выход по внутреннему цилиндру симметрично

Таблица 2 – Сводная таблица для определения нвр1 и нвр2

L, нвр квых

Вход (выход)	L вр2	нвр    квых	Z нвр1	Z нвр2
Плоскость прямая	0	0	L под	- Lвр1
Плоскость наклонная α < 0	D 4 tga	x/ctgα	X -     + L под	D -     -   tg α - L ctga 2         вр 1
Плоскость наклонная α > 0	D 4 tga	x/ctgα	X + L под	D -   tg α - L ctga 2         вр 1
Цилиндр наружный симметрично	RS - \       I 2 J	RS	RS + L под	- L вр1
Цилиндр наружный со смещением	- - V     (2 J	^Irs'-x1	+ Lпо	^RS^x1-^- - a/rS2-x2-Jrs2-[ — + X I V     (2 J
Цилиндр внутренний симметрично	1 i D2 rs-Ars-— \        4	RS	- RS + L под	” Л5 ” L epl + + rs-Jrr2- - V      v 2 J
Цилиндр внутренний со смещением	- V     (2 J Al IVA — X	^Irs'-x1	-        + L под	- Jrs2-       -aIrS2-x2

Таблица 3 – Сводная таблица для определения параметров размерной настройки L _вых2 , Z _квых1 и Z _квых2

Вход (выход)	L вых2	Z квых1	Z нвр2
Плоскость прямая	0	0	вых1      пер
Плоскость наклонная α < 0	D 4 tga	X ctga	D -     -   tg α - L - L ctga     2           вых 1     пер
Плоскость наклонная α > 0	D ч tga	X ctga	D ctga    2 ga     вых 1     пер
Цилиндр наружный симметрично	RS - N <2 J	- RS	-RS-L8bKY-Lnep + 1 2 r dV +rs-jrs2-\ — V I 2 )
Цилиндр наружный со смещением	lnc2 (D ) V     (2 J -	-	-л1н82-х2 -a1rS2-\—-x\ - V       12    ) -^RS'-x^-L^-L,^
Цилиндр внутренний симметрично	RS - V 12)	RS	- rs+ rs- Jrs2 - 1   I - l , вых1
Цилиндр внутренний со смещением	- -Jrs2 -Г- + х) V 12 J	4rS2-x2	^RS^-x1 -L.„X-L„T- - a1rS2-x2-ArS2-\—^x\ V < 2 J

Тогда

Z квых2

-

L

квых

L вых1

L=

пер

ArS2-x2

L вых1

L.

пер

Z нвp1

L вp = L под + L вр1 + L вр2 = L под + L вр1 +

Согласно рисунку 6 б из ∆ACD :

= L

нвp

+ L под

= RS + L под , Z нвp

= L

-

нвp

L вр2

-

L вр1

Lквых = BD = RS,

=

-

L . вр1

Lвых2 = BA = BD -

Согласно рисунку 6 а из ∆ABD , ∆DCF :

Тогда вых пер вых1 вых2

Lквых = АD =

Lвых2 = EB = АD - DF =

= L пер + L вых1 + RS -

Тогда

=

Zквых1 = Lквых = RS,

Z квых2

= L

-

L вых2

-

L пер

-

L вых1

вых пер вых1 вых2

= Lпер + Lвых1 -                            ,

квых

пер

-

L

-

L. вых1

Z квых1

- L квых

aIrS^-x2

Результаты моделирования параметров размерной настройки для сверления сведены в таблицы 2 и 3.

параметров размерной настройки L _вр2

L

Предложенные методики, модели и алгоритмы позволили создать систему автоматизированного расчета параметров размерной настройки сверл и доказать их работоспособность (рис. 7).

При работе с системой пользователь последовательно вводит информацию о геометрии заготовки на входе и выходе инструмента, геометрии режущей части сверла и режимах резания, а результатом работы являются координаты начального и конечного положения инструмента, величины врезания и выхода, рабочих ходов и основное (машинное) время обработки на участках врезания, выхода и устойчивого резания инструмента.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Предложена методика моделирования границ переходных процессов при сверлении, минимальных величин врезаний и выходов, длин рабочих ходов, координат начальных и конечных положений сверл в зависимости от условий врезания, выхода и геометрических параметров их режущих частей.

Представление разработанных моделей на языке теории автоматизации проектирования, алгебры логики и теории алгоритмов позволило создать про- граммное обеспечение для автоматизированного определения указанных параметров размерной настройки сверл для программировании обработки отверстий на металлорежущих станках с ЧПУ и доказать их работоспособность.

Методика и программное обеспечение прошли опытную эксплуатацию в учебном процессе кафедры технологии машиностроения УО «Витебский государственный технологический университет».

Использование системы дает возможность:

‒ снизить затраты на обработку отверстий сверлами из-за сокращения основного (машинного) времени за счет минимизации величин рабочих ходов сверл;

‒ повысить срок службы и период стойкости сверл за счет назначения щадящих режимов резания на участках переходных процессов;

‒ улучшить показатели качества поверхности на участке врезания и выхода инструмента.

Разработки могут использоваться:

‒ в проектных бюро машиностроительных предприятий при размерной настройке металлорежущих станков и проектировании их наладок;

‒   при разработке управляющих программ для станков с ЧПУ;

‒   в организациях, специализирующихся на разработке систем автоматизированного проек- тирования для разработки и совершенствовании CAM-систем;

‒ в учебном процессе для подготовки специалистов в области технологии машиностроения.

Параметры инструмента

Выберите вариант врезания инструмента

Выберите вариант выхода инструмента ф Автоматизированная система расчета параметров размерной настройки Файл Справка Выход

Цилиндр Внутренний симметричный

О

Цилиндр наружный симметричный

Цилиндр наружный со смещением

Цилиндр Внутренний со смещением

Метод обработки

•) Сверление О Центровование ОЗенкерование О Зенкование О Развёртывание

Сверло

О Спиральное одноплоскостная заточка

@ Спиральное с двойной заточкой

О Спиральное для сверления чугуна (В.Г. Жирова)

О Спиральное с закруглёнными режущими кромками

О Спиральное со стачиванием перемычки

О Спиральное с прорезной перемычкой

О Кольцевое (или со сменными пластинками)

О Пушечное

О Ружейное

О Шнековые

О Эжекторное

Диаметр инструмента, D, мм

Угол заточки, 2ф, 0

Дополнительный угол, 2ф1, 0

Режимы разания и условия

Скорость резания, м/мин

Подача на оборот при устойчивом реазнии, Подача на оборот при вреазнии, мм/об

Подача на оборот при выходе, мм/об

Длина между системами координат, мм

Длина подвода инструмента, 1лод, мм

Длина перебега инструмента, Lnep, мм Радиус цилиндра, RS, мм

Расчёт

Очистить

= ==Параметры инструмента===

D = 20,000 мм 2ф = 118,000° 2ф1 = 70,000° ====Параметры врезания==== LBpl = 7,907 мм 1под = 2,000 мм 1вр2 = 0 мм

Lep = 9,907 мм 2нвр1 = 2,000 2нвр2 = -7,907 ====Параметры выхода==== 1вых1 = 7,907 мм

Lnep = 2,000 мм 1вых2 = 0,501 мм в частном случае=к 2нвых1=-150,000 2нвых2=-159,405 2квых1=-100,000 2квых2=-109,405 ===Время обработки= = = =

Время врезания = 1,485 с

Время устойчивого резания = 26,784 с

Время выхода = 7,091 с

Время обработки = 35,360 с

Рисунок 7 – Интерфейс программного обеспечения