Разработка системы расчета силы при резьбофрезеровании

Язык труда и переводы:
УДК:
621.993.2
Дата публикации:
20 августа 2021, 16:38
Категория:
А2. Инструментальная техника и технологии
Авторы
Аннотация:
Разработана система расчета составляющих силы резания при резьбофрезеровании. В основу расчета легло моделирование процесса резьбофрезерования элементарным однозубым инструментом по кинематической схеме с параллельными осями резьбы и инструмента. Предложенная расчетная система позволяет учитывать параметры инструмента: радиус округления режущей кромки и износ по задней поверхности. Полученные расчетные данные сравнивались с экспериментальными, при этом расхождение не превысило 25 %.
Ключевые слова:
резьбофрезерование, сила резания, гребенчатая резьбовая фреза, дисковая резьбовая фреза, стружкообразование
Основной текст труда

В современном производстве широко используются резьбовые соединения. Однако получение резьбовых отверстий, особенно в корпусных деталях, зачастую является финальной операцией, при которой возможно получение бракованной детали. Связано это с ограниченной областью обработки и плохим выведением стружки из зоны резания. Основным способом получения внутренней резьбы долгое время считалось нарезание метчиком. Основной недостатк этого способа заключается в попадании стружки под задние поверхности инструмента, что ухудшает качество резьбы и повышает риск поломки инструмента, особенно при обработке труднообрабатываемых материалов. В связи с этим метчики часто используют как слесарный ручной инструмент, что значительно сказывается на производительности.

Из-за широкого распространения станков с числовым программным управлением с возможностью программирования сложных траекторий на смену метчикам все чаще приходят резьбовые фрезы, фактически исключающие проблемы метчиков и являющиеся более универсальным инструментом, позволяющим обработать одним инструментом резьбу различного типоразмера с одинаковым шагом в глухих и сквозных отверстиях, правую и левую, однозаходную и многозаходную резьбу. Резьбовые фрезы обладают более высокой надежностью, поскольку обеспечивают удовлетворительные стружкоотделение и стружкоотвод, а также возможность легкого извлечения сломанного инструмента, что позволяет избежать неустранимого брака [1]. Однако наряду с преимуществами данного способа недостатком можно считать неравномерное усилие в процессе резания, что вызывает вибрации, ухудшающие качество обработанной резьбы. Особенности кинематической схемы резьбофрезерования с параллельными осями резьбы и инструмента приводят к радиальному отгибу инструмента из-за возникающей силы резания, что служит причиной появления такого дефекта получаемой резьбы как конусность. Конструкция резьбовой фрезы и схемы ее работы не позволяет использовать этот вид инструмента для выполнения слесарных операций.

Гребенчатые резьбовые фрезы представляют собой совокупность  резьбовых дисков перпендикулярных оси инструмента, затылованных по количеству зубьев. При этом каждый диск формирует один виток резьбы, поэтому все диски работают в одинаковых условиях и срезают одинаковый срезаемый слой (рис. 1, а). Поэтому для моделирования достаточно рассмотреть один элементарный резьбовой диск (рис. 1, б), который представляет из себя однодисковую фрезу (рис. 1, в). Для примера показан инструмент с тремя зубьями. Таким образом, дальнейшая система расчета силы при резьбофрезеровании укрупненно может рассмотрена как моделирование силы резания для однодисковой многозубой резьбовой фрезы с переносом результатов моделирования на винтовой зуб инструмента.

Каждый зуб однодискового инструмента имеет режущий профиль, состоящий из трех режущих кромок, каждая из которых имеет разный угол наклона и передний угол, зависящий от заточки инструмента. В связи с этим каждый зуб фрезы работает по схеме несвободного резания, а каждая кромка в условиях косоугольного резания. 

Рис. 1. Анализ гребенчатой резьбовой фрезы на элементарные однодисковые резьбовые фрезы:  а — гребенчатая резьбовая фреза; б — выделение элементарного резьбового диска; в — однодисковая резьбовая фреза; 1 — винтовой зуб фрезы; 2 — срезаемый слой; 3 — резьбовой диск 

В [2–5] предложены экспериментальные и теоретические способы расчета силы резания. Недостаток экспериментальных способов, изложенных в данных работах, посвященных резьбофрезерованию, заключается в проведении дорогостоящих экспериментов, в том числе теоретических: требуется проведение сложных расчетов при наложении большого числа допущений, и не везде полностью учитывается сложное движение инструмента.

Цель настоящего исследования — разработать анализ системы расчета силы при резьбофрезеровании на основе моделирования процесса однозубым инструментом по кинематической схеме с параллельными осями резьбы и инструмента.

На рис. 2 представлена система расчета силы, которая позволяет учесть характер срезаемого слоя при резьбофрезеровании, учитывающая радиус округления режущих кромок и износ инструмента.

Рис. 2. Система расчета силы резьбофрезерования с использованием моделирования процесса

Система состоит из восьми этапов расчета (см. рис. 2), согласно которым разработан алгоритм и выполнена программа по определению составляющих силы резания в программе PTC Mathcad Prime 3.1, которая представляет зависимости касательной, радиальной и осевой составляющей силы резания как функцию от параметра по углу контакта, учитывающую изменение сечения срезаемого слоя.

На первом этапе проводится ввод исходных данных (параметры изготавливаемой резьбы и обрабатываемого материала).

На втором этапе осуществляется выбор геометрических параметров для нового инструмента или вводятся параметры существующего инструмента:

  • dфр — диаметр инструмента;
  • lраб — рабочая длина режущей части;
  • z — число зубьев;
  • угловые параметры: передний угол γ, задний угол α и угол наклона стружечных канавок ω.

Подбираются параметры режима резания: подача на зуб Sz и скорость v.

На третьем этапе формируется переход с гребенчатой резьбовой фрезы на однодисковую и определяется число элементарных дисков n.

В связи с тем, что каждая режущая кромка имеет разные передние углы γi, задние углы αi и углы наклона λi, на четвертом этапе проводится их расчет с учетом расположения поверхностей инструмента. Для упрощения расчетов затылованные задние и передняя поверхности инструмента заменялись касательными плоскостями.

Для перехода к силе резания при резьбофрезеровании рассмотрены модели силы резания при фрезеровании и точении при косоугольном несвободном резании и за базовую выбрана модель при точении резьбы резцом [6], которая описывает составляющие силы резания от усилия (силы на передней и задней поверхности инструмента) на каждой кромке и учитывает разные углы наклона на боковых сторонах профиля, как при косоугольном резании. На фасочной части учитывается только передний угол и не рассматривается угол наклона, поэтому были внесены коррективы в исходные формулы. Полученные зависимости в полной мере описывают составляющие силы резания на каждой кромке режущего профиля с соблюдением условия несвободного резания. Условие косоугольного резания описывается через угол схода стружки по передней поверхности. С учетом всех условий для расчета предложенных зависимостей требуется определить силы на передней и задней поверхностях инструмента на каждой кромке как при свободном прямоугольном резании.

Исходя из принятой модели силы резания на пятом этапе, рассчитываются силы на передней и задней поверхностях фрезы. Для выбора зависимостей силы на передней поверхности рассмотрены существующие модели, которые в основном описывают ее через силу стружкообразования [7–9]. Разница между моделями заключается в интерпретации механизма стружкообразования через область сдвига. Разделяют описание области сдвига через одну прямую, через область между двумя прямыми, через кривые и ломанные линии. Самая распространенная среди авторов — модель с одной плоскостью сдвига, подтвержденная неоднократно экспериментальными исследованиями. Силу на задней поверхности описывают через нормальное напряжение на передней поверхности и величину износа на задней поверхности [9]. Все рассмотренные зависимости основываются на фактических параметрах срезаемого слоя.

Для анализа срезаемого слоя при резьбофрезеровании предложен подход, в котором срезаемый слой определялся дискретно между двумя положениями инструмента, смещенными друг относительно друга на величину подачи на зуб по винтовой траектории. Разработана геометрическая модель срезаемого слоя, которая показала, что срезаемый слой вдоль угла контакта меняет свою конфигурацию и площадь сечения. Получены математические зависимости для расчета толщины ai и ширины bi элементов срезаемого слоя вдоль угла контакта [10].

Резьбовые фрезы имеют радиус округления фасонной режущей кромки. Толщина срезаемого слоя, как показали исследования, изменяется на каждой кромке от нулевого значения до максимума. Расчет силы характерен для толщины срезаемого слоя αi > 0,5ρ [11].   При условии αi ≤ 0,5ρ, резания не происходит, а присутствует только сила на задней поверхности, зависящая от свойств обрабатываемого материала.

На шестом этапе усилия на каждой кромке суммируются в итоговые зависимости и производится расчет составляющих силы резания Px, Py, Pz на одном зубе однодисковой фрезы с учетом всех условий, выполненных на пятом этапе.

Для перехода на гребенчатую фрезу на седьмом этапе расчета полученные значения Px, Py, Pz распределяются на каждый режущий профиль фрезы вдоль режущей кромки инструмента и производится расчет касательной Pt, радиальной Pr и осевой Pz составляющих силы резьбофрезерования [12]. Рассчитанные составляющие силы распределялись на винтовых зубьях вдоль рабочей длины гребенчатой фрезы в соответствии с углом наклона ω, при этом рассчитывалась угловая координата каждого режущего профиля и учитывалось влияние соседних зубьев при наличии их в контакте.

На восьмом этапе анализируются полученные данные и определяется относительное изменение значений составляющих силы резания или суммарной площади сечения срезаемого слоя [13] вдоль угла контакта фрезы с заготовкой, что является критерием равномерности резьбофрезерования. Основываясь на результатах расчета возможно изменить параметры (ω, z, lраб) на пятом этапе расчета для достижения равномерного фрезерования.

Данные, полученные по предложенной расчетной системе, сравнивались с экспериментальными данными, взятые из исследовния, в котором использовалось моделирование резьбофрезерования резцом [14]. Эксперимент обрабатывался с использованием методики, описанной в [12], при этом расхождение экспериментальных и расчетных данных не превысило 25 %, что может быть связанно с точностью экспериментальных исследований и принятыми допущениями расчетной модели.

Исследование выполнено при финансовой поддержке РФФИ в рамках научного проекта №19-38-90220.

Литература
  1. 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
  2. Мальков О.В., Головко И.М. Экспериментальное определение модели силы при резьбофрезеровании // Инновации в машиностроении: сб. труд. Международной молодежной конференции. Юрга, 27–29 августа 2012 г., ЮТИ ТПУ. Томск: Изд-во Томского политехнического университета, 2012. С. 73–77.
  3. Сайкин С.А. Повышение эффективности фрезерования внутренней резьбы в деталях из труднообрабатываемых материалов: дисс. ... канд. техн. наук. Рыбинск: Рыбин. гос. авиац.-технол. акад. им. П.А. Соловьева, 2009. 246 с.
  4. A model for thread milling cutting forces / A.C. Araujo, J.L. Silveira, M.B. Jun et al. // International Journal of Machine Tools and Manufacture. 2006. Vol. 46 (15). Pp. 2057–2065.
  5. Araujo A.C.,Fromentin G., Poulachon G. Analytical and experimental investigations on thread milling forces in titanium alloy // International Journal of Machine Tools & Manufacture. 2013. Vol. 67. Pp. 28–34.
  6. Бобров В.Ф. Многопроходное нарезание крепежных резьб резцом. М.: Машиностроение, 1982. 104 с.
  7. Розенберг Ю.А., Тахман С.И. Силы резания и методы их определения. Часть 1. Общие положения. Курган, 1995. 130 с.
  8. Бобров В.Ф. Влияние угла наклона главной режущей кромки инструмента на процесс резания. М.: Машгиз, 1962. 152 с.
  9. Грубый С.В. Расчетные параметры стружкообразования при несвободном косоугольном резании пластичных материалов // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2017. № 1. С. 4–15.
  10. Мальков О.В., Головко И.М., Карельский А.С. Теоретический расчет параметров сечения срезаемого слоя при резьбофрезеровании // Известия высших учебных заведений. Машиностроение. 2018. № 10. С. 24–36.
  11. Крагельский И.В. Трение и износ. М: Машиностроение, 1968. 420 с.
  12. Малькова Л.Д. Оценка энергопотребления при механической обработке плоскостей различными способами фрезерования // Инженерный журнал: наука и инновации. 2016. Вып. 12. DOI: 10.18698/2308-6033-2016-12-1559
  13. Malkov O.V., Karelskiy A.S. Rising the work uniformity of thread milling cutters in machining parts of rocket and space technology // 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, January 28 – February 1, 2019, BMSTU. Melville, NY: AIP Publishing, 2019. Vol. 2171. Art. no. 200005. DOI: 10.1063/1.5133363
  14. Карельский А.С., Солдатов Ю.А. Моделирование резьбофрезерования // Студенческая научная весна: Машиностроительные технологии: матер. конф. Москва, 4–7 апреля 2017, МГТУ им. Н.Э. Баумана, научно-учебный комплекс «Машиностроительные технологии» (НУК МТ). М.: Изд-во МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2017. С. 58–59.
Ваш браузер устарел и не обеспечивает полноценную и безопасную работу с сайтом.
Установите актуальную версию вашего браузера или одну из современных альтернатив.