Повышение точности формообразования резьбы по планетарной кинематической схеме инструментом общего положения

Язык труда и переводы:
УДК:
621.99
Дата публикации:
23 августа 2021, 12:54
Категория:
А2. Инструментальная техника и технологии
Авторы
Лагойский Илья Дмитриевич
МГТУ им. Н.Э. Баумана
Аннотация:
Приведены новые схемы формообразования резьб по планетарной кинематической схеме инструментом общего положения, получены численные значения геометрических погрешностей профиля упорной резьбы S42∙7 (ГОСТ 10177–82, ГОСТ 25096–82) для различных сочетаний углов поворота инструмента с помощью геометрического моделирования процесса обработки указанной резьбы в программном пакете Autodesk Inventor Professional 2020 (студенческая версия) и сделаны выводы о влиянии углов поворота инструмента на результирующую геометрическую погрешность профиля упорной резьбы.
Ключевые слова:
резьба, фрезерование, резьбофрезерование, моделирование, упорная резьба, повышение точности
Основной текст труда

Введение

Существует большое разнообразие методов формообразования резьб, у каждого из которых есть свои достоинства и недостатки [1, 2]. Особо из этих методов можно выделить формообразование резьбы по планетарной кинематической схеме однодисковым и многодисковым инструментом, как устоявшийся и широко применяемый на предприятиях процесс, имеющий целый спектр достоинств — универсальность инструмента, хорошие условия в зоне резания, высокое качество поверхности получаемой резьбы и т. д.

Литературный обзор и проведённые впоследствии исследования процесса формообразования резьбы показали, что у него есть и недостатки. При обработке по схеме с параллельными осями инструмента и резьбы, из-за несовпадения их осей, возникает геометрическая погрешность резьбового профиля, которая заключается в несовпадении основанного и полученного профилей резьбы [3]. Данное явление тем более заметно, чем меньшее значение имеют углы наклона боковой стороны резьбы. Как было показано в [4, 5], при формообразовании внутренних резьб с достаточно малым значением (< 15°) хотя бы одного из углов наклона боковой стороны резьбы, резко растёт геометрическая погрешность ее профиля, что приводит к снижению точности получаемых геометрических размеров и, в частности, к невозможности формообразования целого ряда резьб по планетарной кинематической схеме.

Цель настоящего исследования — рассмотреть повышение точности формообразования резьб по планетарной кинематической схеме благодаря применению схем со скрещивающимися осями инструмента и резьбы.

Определение геометрических погрешностей формообразуемой резьбы для схем со скрещивающимися осями инструмента и резьбы

Формообразование по планетарной кинематической схеме с параллельными осями инструмента и резьбы широко применяется для получения резьб метрического профиля. В  [5] выявлено, что трудности для формообразования представляют упорные резьбы с углами 3° и 30°, выполняемые согласно ГОСТ 10177–82 и DIN 513, упорные резьбы с углами 7° и 45° согласно ANSI B1.9 и упорные резьбы с углами 3° и 45° согласно ГОСТ 13535–87. Также, сложности возникают при обработке трапецеидальных резьб, применяемых в нефтегазовой промышленности при производстве обсадных труб и муфт к ним с углами 3° и 10°, изготавливаемые согласно ГОСТ 632–80, ГОСТ 34057–2017, ГОСТ Р 52203–2004, ГОСТ 25575–2014, ГОСТ 33758–2016, ГОСТ 633–80, API Spec 5B-2008-2. Стоит отметить, что данные резьбы являются коническими, с углом уклона φ, зависящим от типоразмера изготавливаемой трубы или муфты.

Так как изготовить указанные выше резьбы по схеме с параллельными осями инструмента и резьбы в соответствии с принятой степенью точности невозможно [5], предложены новые схемы обработки со скрещивающимися осями инструмента и резьбы. По данным схемам формообразование внутренней резьбы осуществляется инструментом при внутреннем контакте, а формообразование наружной резьбы возможно как при наружном, так и при охватывающем контакте инструмента и заготовки. Для всех видов контакта можно использовать однодисковый и многодисковый инструмент, а, в свою очередь, многодисковый инструмент по своей конструкции делится на цилиндрический и конический с одинаковым или разным профилем дисков.

Задание ориентирования относительного расположения инструмента и резьбы в процессе обработки осуществляется с помощью введения трех систем координат — системы координат инструмента XиYиZи, системы координат заготовки XзYзZз и исходной системы координат XYZ.

Центр Ои системы координат инструмента XиYиZи  располагается посередине вершины формообразующего диска, ось ОиZи параллельна оси инструмента, а ось ОиXи пересекает ее.

На рис. 1 (аг) представлена схема задания ориентирования инструмента на примере формообразования внутренней резьбы однодисковым инструментом. В начальный момент времени ось ОзZз системы координат заготовки XзYзZз совпадает с осью предварительно изготовленного отверстия, а ее центр в точке Оз является точкой пересечения оси и торца заготовки. Исходная система координат XYZ расположена таким образом, что ее ось OZ параллельна оси системы координат заготовки ОзZз, а оси OX и OзXз сонаправлены. При этом, исходная система координат смещена относительно системы координат заготовки на величины ∆1 и ∆2.

Задание ориентирования инструмента осуществляется посредством совмещения исходной XOY и инструментальной XиYиZи систем координат и дальнейшим последовательным поворотом системы координат инструмента XиYиZи сначала вокруг оси OX исходной системы координат XYZ на угол φx и затем вокруг оси OY на угол φy. При этом, система координат инструмента XиYиZи переходит в положение Xи1Yи1Zи1 и затем в положение Xи2Yи2Zи2 соответственно (см. рис. 1, в, г).

Указанная выше последовательность поворотов может быть осуществлена в обратном порядке — сначала поворот на угол φy вокруг оси OY, а затем на угол φx вокруг осиOX [6].

Рис. 1. Ориентирование инструмента относительно заготовки: а — главный вид на взаимное расположение однодискового инструмента относительно предварительно подготовленного отверстия; б — вид А на рис. 1, а; в — поворот системы координат инструмента относительно исходной системы координат (инструмент не показан); г — вид Б на рис. 1, в

Достоинством описанного подхода задания взаимного расположения инструмента и заготовки является отсутствие необходимости привязки к кинематике каждого конкретного станка с ЧПУ (числовым программным управлением), с возможностью произведения расчетов в системах координат, не связанных с оборудованием. Окончательные параметры расположения задаются для конкретного типа оборудования в зависимости от возможностей станка, но при этом эквивалентно требуемому расчётному взаимному расположению инструмента и заготовки.

На рис. 2 (ав) представлен процесс формообразования цилиндрической резьбы на примере упорной резьбы однодисковым инструментом по схеме со скрещивающимися осями инструмента и резьбы. По данной схеме осуществляется обработка как внутренней резьбы при внутреннем контакте (см. рис. 2, а), так и наружной резьбы при наружном (см. рис. 2, б) и охватывающем (см. рис. 2, в) контакте. При формообразовании, инструменту придется главное движение резания — вращение вокруг собственной оси (движение Dг), а также реализуется относительное планетарное движение заготовки и инструмента, посредством придания заготовке движения вращения вокруг своей оси (движение окружной подачи DS1) и прямолинейного движения заготовки вдоль своей оси (движение подачи DS2). Число планетарных оборотов равно требуемому числу витков резьбы, а движения подач DS1 и DS2 кинематически связаны между собой для получения требуемой пространственной винтовой линии.

Рис. 2. Процесс формообразования упорной резьбы по схеме со скрещивающимися осями инструмента и резьбы при обработке: а — внутренней упорной резьбы; б — наружной упорной резьбы; в — наружной упорной резьбы охватывающим инструментом

Аналогично процессу формообразования цилиндрической резьбы осуществляется процесс формообразования конической резьбы. Отличие заключается только в направлении движение подачи DS2 — для получения конической резьбы это прямолинейное движение направлено вдоль образующей предварительно подготовленного отверстия в случае формообразования внутренней резьбы или вдоль образующей конической заготовки в случае обработки наружной резьбы.

Стоит отметить, что по указанным схемам может быть осуществлено не только фрезерование, но и шлифование, накатывание и любая другая обработка по планетарной кинематической схеме. Следовательно, инструмент на данных схемах представлен формообразующей поверхностью, без стружечных канавок и других конструктивных элементов, которые будут необходимы для каждого конкретного вида обработки.

Для установления рациональности использования предложенных выше кинематических схем, выполнено геометрическое моделирование процесса формообразования резьб по схемам обработки с параллельными и скрещивающимися осями инструмента и резьбы при различном сочетании углов φx и φy в программном пакете Autodesk Inventor Professional 2020 (студенческая версия). В качестве рассматриваемых резьб выбраны внутренние резьбы как представляющие наибольшие трудности в обработке с точки зрения большего угла контакта инструмента и заготовки по сравнению с углом контакта при формообразовании наружной резьбы. Процесс моделирования более подробно представлен в работе [5].

Выполнено моделирование формообразования внутренней упорной резьбы S42∙7 (ГОСТ 10177–82, ГОСТ 25096–82) с параметрами: номинальный диаметр резьбы D = 42 мм (D2 = 36,75 мм, D1 = 31,5 мм), шаг резьбы P = 7 мм, инструмент однодисковый диаметром dф = 30 мм, смещения ∆1 = 21 мм, ∆2 = 20 мм. В силу кинематики процесса, для каждого конкретного случая сочетания углов поворота φx и φy требуется изменять геометрические параметры инструмента, такие как углы его профиля γп и βп, длину резьбообразующей части lр и длину вершины профиля а.

В результате моделирования, установлены получаемые профили формообразуемой упорной резьбы S42∙7, показанные на рис. 3 (ад). Геометрическая погрешность профиля оценивалась двумя параметрами: наибольшей геометрической погрешностью Δρ1 и геометрической погрешностью по среднему диаметру

\Delta \rho _{2}={\frac {D_{2}-D_{2\phi }}{2}},

где D2 — номинальный средний диаметр внутренней резьбы; D — фактический средний диаметр внутренний резьбы, установленный с помощью геометрического моделирования.

Полученные данные погрешностей Δρ1 и Δρ2 для каждого сочетания углов приведены в таблице. Видно, что наибольшая геометрическая погрешность возникает при использовании схемы с параллельными осями инструмента и резьбы (см. рис. 3, а).

Заметное снижение геометрической погрешности по среднему диаметру Δρ2 наблюдается при введении угла поворота φx (см. рис. 3, б), но при этом максимальное значение погрешности Δρ1 все еще выше значения допуска, предусматриваемого самой грубой степенью точности по ГОСТ 25096–82.

При введении и увеличении угла поворота φy (см. рис. 3, г, д) происходит постепенное перераспределение геометрической погрешности с одной стороны профиля на другую. Данный эффект особо важен при формообразовании несимметричных резьб, так как посредством увеличения угла от величины φy1 (см. рис 3, г) до величины φy2 (см. рис 3, д), можно установить такое значение φy, при котором будет значительно снижена геометрическая погрешность на стороне с малым углом профиля, и при этом на меньшую величину увеличена геометрическая погрешность на стороне с большим углом профиля.

Наилучший результат достигается при одновременном использовании двух углов поворота инструмента φx и φy (см. рис. 3, в), при котором становится возможно изготовить резьбу в соответствии с ГОСТ 25096–82.

Рис. 3. Основной (поз. 1) и полученный (поз. 2) резьбовые профили упорной резьбы S42∙7 при различных сочетаниях углов поворота инструмента по схеме:

а — с параллельными осями инструмента и резьбы (\varphi _{x}=\varphi _{y}=0^{\circ }) ;

б — со скрещивающимися осями инструмента и резьбы (\varphi _{x}\neq 0^{\circ };\ \varphi _{y}=0^{\circ }) ;

в — со скрещивающимися осями инструмента и резьбы (\varphi _{x}\neq 0^{\circ };\ \varphi _{y}\neq 0^{\circ }) ;

г —  с пересекающимися осями инструмента и резьбы (\varphi _{x}=0^{\circ };\ \varphi _{y1}\neq 0^{\circ }) ;

д — с пересекающимися осями инструмента и резьбы (\varphi _{x}=0^{\circ };\ \varphi _{y2}\neq 0^{\circ }) , с углом поворота \varphi _{y2}>\varphi _{y1}

 Зависимость геометрической погрешности профиля внутренней резьбы S42∙7
от углов поворота однодискового инструмента φx и φy.

S42∙7

Зависимость геометрической погрешности

профиля резьбы от углов поворота оси инструмента на рис. 3

 а

 б

в

г

д

Углы поворота инструмента φx ; φy, град

0°; 0°

3,5°; 0°

3,5°; 9°

0°; 5,8°

0°; 8,5°

Угол профиля γп, град

3,0

2,99

11,98

6,5

11,5

Угол профиля βп, град

30,0

29,93

20,93

26,5

21,5

Длина вершины профиля а, мм

1,847

1,844

1,822

1,843

1,827

Длина резьбообразующей части lр, мм

5,153

5,141

5,0

5,143

5,096

Максимальная геометрическая погрешность Δρ1, мм

5,01

1,15

0,03

3,71

2,65

Геометрическая погрешность по среднему диаметру Δρ2, мм

1,16

0

0

0,75

1,08

Соответствие ГОСТ 25096–82

Нет

4 степень точности

Нет

Заключение

В результате проведенной работы можно сделать вывод о рациональности использования предложенных схем со скрещивающимися осями инструмента и резьбы при формообразовании резьб с несимметричным профилем и малым значением хотя бы одного из углов боковой стороны резьбы. Данные схемы существенно повышают точность и расширяют технологические возможности обработки по представленным планетарным кинематическим схемам по сравнению со схемой с параллельными осями инструмента и резьбы.

Литература
  1. Мальков О.В. Анализ способов обработки резьбы фрезерованием // Наука и образование: научное издание МГТУ им. Н.Э. Баумана. 2016. № 4. DOI: 10.7463/0416.0838440
  2. Мальков О.В. Основные направления исследования резьбофрезерования и проектирования резьбовых фрез // Инженерный журнал: наука и инновации. 2016. Вып. 4. DOI: 10.18698/2308-6033-2016-04-1487.
  3. Malkov O.V., Malkova L.D. Improving thread accuracy in machining components for rocket and space technologies // AIP Conference Proceedings. XLIII Academic Space Conference: Dedicated To The Memory Of Academician S.P. Korolev And Other Outstanding Russian Scientists — Pioneers Of Space Exploration. Moscow, Russia, 28 January – 01 February 2019. College Park: American Institute of Physics Inc., 2019. Vol. 2171. Art. no. 200006. DOI:10.1063/1.5133364.
  4. Fromentin G., Döbbeler B., Lung D. Computerized Simulation of Interference in Thread Milling of Non-Symmetric Thread Profiles // Procedia CIRP. 2015. Vol. 31. Pp. 496–501. DOI: 10.1016/j.procir.2015.03.018. (2015)
  5. Лагойский И.Д., Мальков О.В. Анализ способов резьбофрезерования // Всероссийская научно-методическая конференция, посвященная 100-летию со дня рождения Н.П. Малевского: сб. докладов. Москва, 14 февраля 2020 г., МГТУ им. Н.Э. Баумана. М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2020. С. 60–64.
  6. Мальков О.В., Лагойский И.Д. Способ формообразования резьб. Пат. 2749276 Российская Федерация, МПК B23G 1/00, 2020123795; заявл. 17.07.2020; опубл. 07.06.2021; бюл. № 16. С. 2.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.