СПОСОБ ОБРАБОТКИ СЛОЖНЫХ КРИВОЛИНЕЙНЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ Российский патент 2001 года по МПК B23C3/00 

Изобретение относится к области машиностроения и может быть использовано для обработки сложнопрофильных деталей, например рабочих поверхностей инструментов.

Известен способ программной обработки поверхности прямолинейного профиля инструментами сложного профиля [1] с. 84...89. Однако этот способ невозможно использовать как универсальный для обработки поверхностей, состоящих из криволинейных участков различного профиля, пересекающихся с малыми радиусами сопряжения.

Наиболее близким аналогом является способ обработки многокоординатным формообразованием на станках с ЧПУ скульптурных поверхностей деталей [2] с. 153. . . 157, способ осуществляется вращающимся инструментом (фрезой) переменной кривизны по образующей. Обработка сложной криволинейной поверхности производится с четырьмя непрерывными согласованными движениями формообразования, причем два поворотных движения служат для обеспечения наиболее полного прилегания производящей поверхности к формообразуемой поверхности детали. Первичное следящее поворотное движение осуществляется в плоскости образующей инструмента, а вторичное поворотное движение - в плоскости, проходящей через точку касания производящей поверхности и поверхности детали. Однако этот способ может быть использован только для обработки открытых сложнопрофильных деталей, не имеющих пересекающихся участков поверхностей с небольшими радиусами сопряжений. Кроме того, возникают проблемы точности формы профиля (главной режущей кромки) при изготовлении таких инструментов с изменяющейся кривизной по профилю производящей поверхности.

Способ обработки сложных криволинейных поверхностей инструментом, телом вращения, с криволинейной производящей поверхностью и с четырьмя нелинейно согласованными формообразующими движениями, одно из которых вращательное и располагается в плоскости образующей инструмента, отличающийся тем, что обработку производят инструментом с двумя коническими и торовой радиусной поверхностью, причем прямолинейные образующие инструмента выполняют под углом α, величина которого должна быть равна или меньше минимального угла β_min между касательными к противоположным сторонам профиля обрабатываемой поверхности в точках их сопряжений с вогнутыми участками профиля и определяют по формуле:

где - первая производная функции левой части профиля обрабатываемой поверхности;
- первая производная функции правой части профиля обрабатываемой поверхности;
Z''_m и Z'_m - аппликаты точек М сопряжений левой и правой частей профиля с вогнутой частью профиля радиусом r₁;
кроме того, обработку каждой выпуклой или прямолинейной стороны профиля производят одноименной прямолинейной стороной профиля инструмента, а вогнутого сопрягаемого участка профиля детали - радиусным торовым, при этом обработку осуществляют с тремя одновременными нелинейно согласованными формообразующими движениями, лежащими в одной плоскости профилирования, причем одно из них, вращательное, осуществляют таким образом, чтобы прямолинейная образующая инструмента была последовательно касательна к каждой точке обрабатываемого выпуклого участка профиля, а два других согласуют таким образом с вращательным, чтобы при обработке участков профилей, пересекающихся под углом β ≥ 90^o, прямолинейные образующие инструмента перекатывались по обрабатываемой поверхности, а при обработке участков профилей, пересекающихся под углом β < 90^o, прямолинейная образующая инструмента перекатывалась по обрабатываемой поверхности с отрицательным скольжением, величина которого определяется из условия перемещения точки инструмента максимального диаметра по необрабатываемой стороне профиля.

Предлагаемый способ позволяет расширить технологические возможности обработки сложнопрофильных деталей, за счет обработки поверхностей, состоящих из криволинейных профилей, пересекающихся с малыми радиусами сопряжений, инструментом, телом вращения, с производящей поверхностью, образованной двумя коническими поверхностями и радиусной торовой, а также повысить точность обработки за счет обката профиля прямолинейными образующими инструмента с тремя нелинейными движениями согласования, лежащими в плоскости профилирования.

На фиг. 1 показана схема обработки поверхности сложной криволинейной формы; на фиг. 2 - схема обката профиля с пересекающимися криволинейными участками; на фиг. 3 - схема формирования профиля детали при значении угла β < 90^o между касательными в точках сопряжений профилей; на фиг. 4 - схема к установлению функциональной взаимосвязи между формообразующими движениями при постоянной величине скольжения; на фиг. 5 - схема к установлению функциональной связи между формообразующими движениями вблизи точек сопряжения при β < 90^o.

Обработка поверхности 1 (фиг. 1) с пересекающимися криволинейными участками профиля осуществляется инструментом 2, телом вращения, с двумя коническими поверхностями 3 с прямолинейными образующими и торовой радиусной 4 с дугообразной образующей.

Угол α (фиг. 2) между прямолинейными образующими выполняют меньшим или равным минимальному углу β_min между касательными к противоположным сторонам профиля обрабатываемой поверхности в точках их сопряжений с вогнутыми участками профиля и определяют по формуле:

где - первая производная функции левой части профиля обрабатываемой поверхности;
- первая производная функции правой части профиля обрабатываемой поверхности;
Z''_m и Z'_m - аппликаты точек М сопряжений левой и правой частей профиля с вогнутой частью профиля радиусом r₁.

Обработку производят на станке с ЧПУ фрезерном или шлифовальном с вертикальной осью вращения стола и горизонтальной осью вращения шпинделя (например, ИС800ПМФ4), с одновременным программным управлением по четырем координатам. Инструменту сообщают главное движение ω_zo, подводят к заготовке, используя перемещения по оси Y₁ и Z₁ таким образом, чтобы инструмент совершил радиальное врезание до касания правой стороной прямолинейного профиля инструмента правой стороны обрабатываемого профиля в точке В, затем заготовке сообщают три одновременно согласованных движения подачи ω_x1 ; S_y, S_z; таким образом, чтобы инструмент последовательно касался обрабатываемого профиля во всех точках, перекатываясь прямолинейной образующей по выпуклому участку профиля до точки М. При обработке поверхности с изменяющейся формой профиля вдоль оси вращения заготовке задают четвертое движение подачи S_x, согласованное с остальными, корректирующее точку касания по оси X. В точке М начинают обработку вогнутой части профиля сопрягаемого участка. При равенстве торового радиуса r₀ радиуса профиля вогнутого участка заготовки r₁, заготовка поворачивается относительно полюса, который находится в центре окружности радиуса r₁, на угол Φ, при этом стол совершает два движения:

где R_a - расстояние от оси вращения заготовки до точки A. При этом заготовку вращают на угол Φ, величина которого определяется по формуле:
Φ = β-α, (3)
а поворот производят до касания инструмента левой части обрабатываемого профиля. При r₁ > r₀ инструмент перемещают по эквидистантной траектории от точки М до касания левой части обрабатываемого профиля. Далее инструменту и заготовке задают движения ω_x1, S_y и S_z таким образом, чтобы инструмент, последовательно касаясь, перекатывался по выпуклому участку f'' левого профиля до точки В''. Обработку повторяют в той же последовательности, начиная с точки В''.

При обработке профилей с углом β < 90^o (фиг.3) между касательными к точкам сопряжений частей профиля инструменту, для обеспечения условий незарезания противоположной обрабатываемой стороны профиля вершиной инструмента (точкой инструмента максимального диаметра), задают движение с отрицательным проскальзыванием таким образом, чтобы вершина инструмента огибала профиль по точкам В₁, В₂¹, B₃¹, B₄¹. В противном случае, то есть перекатываясь по обрабатываемому профилю в точках A₁, A₂, A₃, A₄, вершина инструмента пройдет по точкам B₁, B₂, B₃, B₄, то есть зарежет профиль обрабатываемой заготовки.

Соотношения между формообразующими движениями устанавливают по следующему алгоритму. Положения профиля инструмента 1 (фиг. 4) определяются углом ее наклона к оси O₁Z в системе координат О₁YZ или углом профиля инструмента α/2,(α₁), который устанавливается заранее. Для обработки профиля, положение которого изменяется в системе координат O₁YZ по закону
Φ = ωt, (4)
профиль инструмента должен быть касательным ко всем последовательным положениям профиля поверхности, описываемого функцией y = f(z) в той же системе координат. При повороте профиля поверхности на угол Φ профиль инструмента перемещается из точки C в точку В, т. е. при обработке со скольжением p = ∞ вершина профиля инструмента В перемещается из точки C в точку В. Для обеспечения обкатывания без проскальзывания (p=1) вершина профиля перемещается из точки В₀ в точку В так, чтобы длина профиля B₀C была равна криволинейному участку обрабатываемого профиля В₁C или BA. Таким образом, вершина профиля в направлении оси O₁Y совершает перемещение S_y, а в направлении оси O₁Z - S_z.

Поэтому задача сводится к определению уравнений касательных, проведенных под углом к оси O₁Z к двум положениям функций y=f(z), отличающихся на угол поворота Φ. Эта задача относительно просто решается для исходного положения профиля, проходящего через точку В, и достаточно сложно для положения функции, проходящей через точку C.

Поэтому алгоритм решения сводится к следующему:
1. Определяется угол к касательной, проведенной к некоторой точке А (с координатами η₁,λ₁ ), принадлежащей профилю в исходном положении. На этом этапе проводится анализ касательной, т. к. при значении абсциссы η₁ может быть несколько уравнений, касательных к данной функции. Угол наклона касательной в точке A
K = arctg(df/dz)|_η1. (5)
2. Определяется новое положение точки A (точка C с координатами (z₀y₀), при котором касательная займет положение профиля инструмента 1, т. е. касательная повернется на угол Φ и займет положение под углом к оси O₁Z:

Поскольку точка A (C) поворачивается на угол относительно центра вращения О₁, ее новые координаты записывают через функцию преобразования координат:

3. Определяются координаты точки, через которую проводится касательная, параллельная положению профиля 1 инструмента и составляющая угол с осью O₁Z:
df/dz|_z1 = tg(90^°-α/2). (8)
Найденное значение Z₁ подставляется в уравнение функции профиля. Таким образом, определяются координаты точки касания В при повороте профиля на угол Φ.

4. Определяются перемещения вершины В₀ профиля инструмента из точки C в точку B при p = ∞ :

5. Определяются перемещения вершины В₀ инструмента из точки В₀ в точку В, при этом кривая AB может с достаточной степенью точности быть заменена хордой.

При условии p=1:

При условии p ≠ l:

Третий вид согласования используется только при обработке участков обрабатываемой поверхности вблизи точек сопряжений профилей при значении угла между касательными в точках сопряжений менее 90^o (фиг. 5).

Перемещение по оси O₁Z для обеспечения условия незарезания должно быть уменьшено так, чтобы вершины профиля инструмента располагались в точке В' (фиг. 5). В этом случае элементарные перемещения при повороте профиля на угол Φ определяются отрезками ΔS'_z и ΔS'_y, для установления величины которых необходимо найти координаты точки В'(z'_b, y'_b). Поскольку точка В' возникает в результате пересечения стороны профиля инструмента, касательной к профилю детали, описываемому функцией y= f(z), в точке C с координатами Z₀ и Y₀ с необрабатываемым участком профиля, описываемым функцией y=f_B(z), ее координаты определяются в результате решения системы уравнений. Алгоритм установления функциональной связи между формообразующими движениями при β < 90^o имеет вид
1. Составляется уравнение функции необрабатываемого смежного участка профиля y=f_B(z) для его положения при повороте на угол Φ :
y = f_в(z)•cosΦ+f_в(z)•sinΦ. (12)
2. Записывается уравнение касательной к обрабатываемому участку профиля в точке C с координатами Z₀ и Y₀:

3. Совместно решаются уравнения (12) и (13), определяется точка В'(z'_b, z'_b).

4. Решается задача однозначности определения точки В, для этого минимизируется величина отрезка CB:

5. Найденные координаты положения точки B'(z'_b, y'_b) используются для определения перемещений:

6. Определяется при необходимости величина скольжения (p=f(t)):


7. Определяется условие выхода инструмента из зоны зарезания:
S'_z ≥ S_z, (18)
При этом условии перемещения определяются по формулам (10), (11).

Предложенный алгоритм может быть использован для обработки сложнопрофильного инструмента, кулачков фасонной формы, лопаток турбин, штампов и пресс-форм.

Использование инструмента с прямолинейными и дугообразными образующими взамен криволинейных при обработке сложных криволинейных поверхностей значительно повышает точность обработки, т.к. точность обработки с использованием технологических систем с ЧПУ, обеспечивающих высокую точность движений рабочих органов, в большей степени зависит от точности изготовления инструмента и его жесткости. Точность инструментов с прямолинейными и дугообразными образующими: отклонение профиля, радиальные и торцевое биение значительно ниже, чем у фасонных инструментов с криволинейными образующими.

Применение инструментов с тремя участками производящей поверхности двумя коническими и радиусным торовым с профильным углом α, равным или меньшим минимальному углу β_min между касательными к противоположным сторонам профиля обрабатываемой поверхности в точках их сопряжения, а также согласование трех движений формообразования, лежащих в плоскости профилирования таким образом, чтобы прямолинейные образующие инструмента последовательно касались обрабатываемой поверхности, перекатываясь по ней с постоянным проскальзыванием, а при обработке профилей, пересекающихся под углом β < 90^o с переменным отрицательным проскальзыванием, позволяет одним инструментом обрабатывать не только криволинейные поверхности типа лопаток турбин, но и поверхностей с криволинейными участками, пересекающимися с бесконечно малыми углами к касательным в точках сопряжений с высокой производительностью.

Библиографический список
1. Константинов М.Т. Расчет программ фрезерования на станках с ЧПУ - Москва: Машиностроение, 1985, - 160 с.

2. Формообразование сложных поверхностей на станках с ЧПУ/ С.П. Радзевич-К: Выща шк., 1991.-192 с.

Изобретение относится к машиностроению, высокоточной обработке криволинейных поверхностей с пересекающимися криволинейными участками профилей с малыми радиусами сопряжения одним универсальным инструментом. Способ включает обработку сложных криволинейных поверхностей инструментом в виде тела вращения с криволинейной производящей поверхностью и с четырьмя нелинейно согласованными формообразующими движениями, одно из которых вращательное и располагается в плоскости образующей инструмента. Для расширения технологических возможностей за счет обработки поверхностей с криволинейными участками профилей пересекающимися с малыми радиусами сопряжений и повышения точности обработки криволинейная производящая поверхность инструмента образована двумя коническими участками и участком торовой радиусной поверхности, причем прямолинейные образующие инструмента расположены под углом, величина которого выбрана равной или меньше минимального угла β между касательными к противоположным сторонам профиля обрабатываемой поверхности в точках их сопряжения с вогнутыми участками профиля. При этом обработку каждой выпуклой или прямолинейной стороны профиля детали производят одноименной прямолинейной стороной профиля инструмента, а вогнутого сопрягаемого участка профиля детали - радиусным торовым участком профиля инструмента, при этом обработку осуществляют с тремя одновременными нелинейно согласованными формообразующими движениями, расположенными в одной плоскости профилирования, одним из которых является упомянутое вращательное движение в плоскости образующей инструмента с возможностью касания прямолинейной образующей инструмента к каждой точке обрабатываемого выпуклого участка профиля детали, два других движения согласуют с вращательным с возможностью при обработке участков профиля, пересекающихся под углом β > 90°, перекатывания прямолинейной образующей инструмента по обрабатываемой поверхности, а при обработке участков профиля, пересекающихся под углом β < 90°, - перекатывания прямолинейной образующей инструмента по обрабатываемой поверхности с отрицательным скольжением, величину которого определяют из условия перемещения точки инструмента максимального диаметра по необрабатываемой стороне профиля детали. 5 ил.

Способ обработки сложных криволинейных поверхностей инструментом в виде тела вращения, при котором обработку детали ведут инструментом в виде тела вращения с криволинейной производящей поверхностью и с четырьмя нелинейно согласованными формообразующими движениями, одно из которых - вращательное в плоскости образующей инструмента, отличающийся тем, что криволинейная производящая поверхность инструмента образована двумя коническими участками и участком торовой радиусной поверхности, причем прямолинейные образующие инструмента расположены под углом α, величина которого выбрана равной или меньше минимального угла β_min между касательными к противоположным сторонам профиля обрабатываемой поверхности в точках их сопряжения с вогнутыми участками профиля, определяемого по формуле

где - первая производная функции левой части профиля обрабатываемой поверхности;
- первая производная функции правой части профиля обрабатываемой поверхности;
Z''_m и Z'_m - аппликаты точек М сопряжений левой и правой частей профиля с вогнутой частью профиля радиусом r₁,
при этом обработку каждой выпуклой или прямолинейной стороны профиля детали производят одноименной прямолинейной стороной профиля инструмента, а вогнутого сопрягаемого участка профиля детали - радиусным торовым участком профиля инструмента, при этом обработку осуществляют с тремя одновременными нелинейно согласованными формообразующими движениями, расположенными в одной плоскости профилирования, одним из которых является упомянутое вращательное движение в плоскости образующей инструмента с возможностью касания прямолинейной образующей инструмента к каждой точке обрабатываемого выпуклого участка профиля детали, два других движения согласуют с вращательным с возможностью при обработке участков профиля, пересекающихся под углом β>90^oC, перекатывания прямолинейной образующей инструмента по обрабатываемой поверхности, а при обработке участков профиля, пересекающихся под углом β<90^oC, - перекатывания прямолинейной образующей инструмента по обрабатываемой поверхности с отрицательным скольжением, величину которого определяют из условия перемещения точки инструмента максимального диаметра по необрабатываемой стороне профиля детали.