Пестов С.П. Проектирование технологических процессов обработки деталей на станках с ЧПУ

Подождите немного. Документ загружается.

Упругие же отжатия режущего инструмента довольно значительны и примерно

на порядок больше погрешности позиционирования. Это объясняется тем, что на

станках с ЧПУ при обработке отверстий отсутствуют элементы для направления

концевого мерного инструмента и, возникающие в процессе резания неуравнове-

шенные силы резания, отжимают режущий инструмент.

Таким образом, при формировании операции обработки отдельных отверстий

на станках с ЧПУ необходимо в первую очередь решить задачу приоритетного

обеспечения параметров точности расположения оси и на порядок повысить ра-

диальную жесткость концевого мерного инструмента.

Любая операция механической обработки детали, в том числе на станках с

ЧПУ, включает определенную последовательность переходов и поэтому переход

является структурным элементом операции. Тогда процесс проектирования тех-

нологических операций по обработке отверстий на станках с ЧПУ можно рас-

смотреть с позиций системно-структурного моделирования. В этом случае опера-

ция представляет собой множество С = {c

}, i = 1,N основных переходов, а каждая

модель перехода с

С включает описание общих сведений Zi, функций Ti пере-

хода и технологических режимов Si [10]. Рассмотрим моделирование процесса

формирование структуры операции обработки отдельного отверстия.

Общие сведения Zi

включают описание параметров обработки отверстия:

диаметр d

, длину l

, и номер отверстия m

Zi = {d

, l

} .

Функция Тi перехода определяет преобразование состояния поверхности в пе-

реходе и характеризуется методом обработки t

, начальным и конечным состоя-

ниями поверхности, которые можно оценить через параметры точности (ПТ), т. е.

= {t

, ПТ

где ПT

- параметры точности до обработки отверстия; ПТ

- параметры точно-

сти после обработки отверстия.

Параметры точности задаются точностью расположения оси (например, пози-

ционным допуском RS), точностью формы отверстия FR, точностью диаметраль-

ного размера IT , шероховатостью поверхности R, т. е. их множеством

ПТi = {RSi , FRi, ITi, Ri}.

Технологические режимы Si задаются подачей Soi и скоростью резания Voi

Si = {Soi, Voi}.

Задача проектирования структуры операций обработки отверстий состоит в

назначении переходов в определенной последовательности с учетом закономер-

ности приоритетного обеспечения параметров точности с наибольшей произво-

дительностью.

Процесс формирования структуры операций обработки отверстий на станках с

ЧПУ включает следующие процедуры.

- Выбор множества переходов C`

ПТ

= {C`

iПТ

}, i = 1,N, обеспечивающих вы-

полнение каждого параметра точности в соответствии с приоритетной последова-

тельностью

{ Птi } = { RSi } > { FRi } > { ITi } > { Ri }

и формирование альтернативных вариантов условных операций Q, предназна-

ченных для выполнения отдельных параметров точности

Q = { (Zi , Ti , Si) / c`

iПТ

ПТ

При выборе сначала определяются переходы, обеспечивающие отдельно вы-

полнение чертежных параметров точности, последующие переходы выбираются

из условия ПТ

ПТ

i+1

, т. е. отдельные параметры точности отверстия после об-

работки на i-том переходе ПТ

должны совпадать (или быть меньше) с парамет-

рами точности отверстия до его обработки на следующем i+1 переходе ПТ

i+1 .

- Задание критерия J(Q) для сравнения альтернативных вариантов операций.

За критерий можно принять основное время обработки Т

(Q)

J (Q) = T

(Q) = L

/(S

) = (πd

)/(1000 Voi Soi),

где n

— частота вращения инструмента, мин

-1

- Выбор вариантов условных операций, обеспечивающих выполнение отдель-

ных параметров точности с максимальной производительностью (с минимальным

основным временем)

J(Q*) = min J(Q).

- Формирование окончательной модели структуры операций, обеспечиваю-

щей выполнение всего комплекса заданных чертежом ПТ в соответствии с при-

оритетной последовательностью обеспечения ПТ. Модель операции формируется

путем объединения условных операций, обеспечивающих выполнение отдельных

ПТ с наибольшей производительностью:

С = U C`

ПТ

iПТ

ПТ

где С`

ПТ

— варианты операций, обеспечивающих выполнение отдельных ПТ с

максимальной производительностью.

На основе предлагаемого подхода к моделированию операций разработана

методика проектирования структуры операций обработки отверстий на станках с

ЧПУ. Методика использует базу данных переходов, составленную в результате

анализа производственных и литературных данных по обработке отверстий на

станках с ЧПУ. Фрагмент базы данных переходов обработки отверстий на свер-

лильных станках с ЧПУ дан в табл.7.

В этой таблице начальные параметры точности обработки перехода ПТ

(или

конечные ПТ предыдущего — ПТ

i-1

) даны для обработки отверстий 20–30 мм.

Допуск формы обычно задается в пределах допуска на размер. Режимы резания

указаны ориентировочно при обработке деталей из стали 45.

Методика проектирования рассмотрена на примере формирования структуры

операции для обработки отверстий с чертежными данными: d = 25 Н7, длиной l

=30 мм, позиционным допуском RS=0,1 мм, шероховатостью поверхности R (R)

=2,5 мкм. Ниже приведены этапы проектирования структуры операций.

Таблица 7

Фрагмент базы данных переходов отверстий

ПТ

Режимы

d, мм

l,мм

IT, кв.

R, мкм.

RS, мм.

IT, кв.

R, мкм.

RS, мм.

мм/об

м/мин

Сверле-

ние (С

)

5–30

≤ 4d

11–13

12,5–6,3

0,3–0,5

0,15

30,0

Зенкеро-

вание

(С

)

10–40

≤ 4d

10–11

6,3–3,2

0,2–0,3

12–13

12,5–25

0,3–0,5

0,4

28,0

Развер-

тывание

черновое

(С

)

3–50

≤ 4d

8–9

2,5–1,25

0,12–0,18

10–11

3,2–6,3

0,1–0,3

0,7

6,0

Развер-

тывание

чистовое

(С

)

3–50

≤ 4d

7–8

1,25–0,63

0,07–0,1

9–10

1,25–3,2

0,1–0,2

0,6

4,0

Растачи-

вание

черновое

(С

)

22–180

≤ 4d

9–12

3,2–6,3

0,1–0,2

10–11

6,3–12,5

0,3–0,5

0,08

Растачи-

вание

чистовое

(С

)

22–180

≤ 4d

7–9

1,6–3,2

0,06–0,12

9–10

3,2–6,3

0,15–0,2

0,06

а). Выбор множества переходов С

ink

из базы данных (см. табл. 7) для оконча-

тельной обработки, обеспечивающих отдельно заданные чертежом параметры

точности ПТ

с учетом параметров обработки d и l и приоритетной последова-

тельностью обеспечения ПТ: RS > IT > R, т. е.

- C

1RS

= C

; C

2RS

= C

; C

3RS

= C

;

- C

1IT

= C

; C

2IT

= C

;

- C

= C

; C

= C

; C

= C

Выбираются переходы С

и С

для окончательной обработки данного отвер-

стия и определяются по табл. 7 начальные параметры точности ПТ

выбранных

переходов.

б). Выбор множества переходов С

iпт для предварительной обработки, обес-

печивающих выполнение отдельных ПТ из условия достижения начальных пара-

метров ПТ

i+1

последующих переходов, рассматривая их как конечные выбран-

ных переходов, т. е. при соблюдении условия ПТ

ПТ

i+1

Для обеспечения выполнения перехода С

- С

1RS

= С

; С

;

- С

1IT

= С

; С

;

- С

= С

; С

;

Для обеспечения выполнения перехода С

- С

2RS

= С

; С

;

- С

2IT

= С

; С

;

- С

= С

; С

Выбираются переходы С

, С

в). Выбор множества переходов С

iПT

для черновой обработки с учетом на-

чальных параметров точности ПТ

определенных по табл.7, для выбранных пе-

реходов по предыдущему пункту.

Для обеспечения выполнения начальных параметров точности ПТ

переходов

, С

и С

достаточно назначить переход С

г). Формирование альтернативных вариантов условных операций С

’

iПT,

предна-

значенных для выполнения отдельных параметров точности и расчет основного

времени Т

- Обеспечение параметров точности с окончательным переходом С

С`

1RS

= С

- С

; Т

= 1,71 мин;

С`

2RS

= С

- С

; Т

= 1,87 мин;

С`

3RS

= С

- С

; Т

= 2,09 мин.

Аналогично формируются альтернативные варианты условных операций для

обеспечения параметров точности квалитета С`

iIT

и шероховатости С`

IR.

В рас-

сматриваемом примере С`

iRS

= С`

iIT

= С`

- Обеспечение параметров точности с окончательным переходом С

С``

1RS

= С

- С

; Т

= 1,73 мин;

С``

2RS

= С

- С

; Т

= 1,76 мин.

Для этого случая также С``

iRS

= С``

iIT

= С``

Выбирается вариант структуры операции с максимальной производительно-

стью (основное время минимально)

1RS

= C*

1IT

= C*

= С

- С

; T

= 1,71 мин.

д). Формирование окончательной структуры операции, обеспечивающей вы-

полнение всех заданных чертежом параметров точности в соответствии с рацио-

нальной последовательностью и наибольшей производительностью

С = UС*

iПT

= С

- С

Если в технологическом процессе обработки детали предусмотрена операция

термической обработки, в результате выполнения которой ухудшаются показате-

ли предшествующего перехода по шероховатости, точности размера, формы и

расположения, то в выбранный вариант маршрута обработки после термообра-

ботки следует ввести дополнительный переход, такой же, который был выполнен

перед термообработкой [4].

При наличии в отверстии цековки или фаски, переходы цекование или зенко-

вание включаются в любой из вариантов маршрута обработки отверстий.

При обработке отверстий диаметром от 40 до 100 мм вводится переход рас-

сверливание.

Переходы зенкерования и развертывания с подрезкой дна следует назначать

при наличии в отверстии плоского дна.

Для повышения точности отверстий по расположению оси рекомендуется

вводить перед сверлением отверстий переход центрования (особенно для отвер-

стий диаметром до 15 мм и позиционном допуске < 0,2–0,3 мм)

Выбор маршрута обработки отверстия с резьбой можно проводить по табл. 8.

5.4. Выбор режущего инструмента

На станках с ЧПУ сверлильно-фрезерно-расточной группы для обработки от-

верстий применяют следующие основные типы режущих инструментов [8]:

- сверла центровочные; спиральные; сверла с многогранными неперетачивае-

мыми пластинами; ступенчатые; перовые;

- зенкеры и развертки цельные и насадные;

- зенковки цилиндрические и конические;

- метчики;

- расточные оправки.

На станках с контурным или комбинированным устройствами ЧПУ для обра-

ботки отверстий с круговой интерполяцией используют также концевые фрезы.

Таблица 8

Маршрут обработки отверстий с резьбой

Переход

Диаметр резьбы Dр, мм

М6–М36

М36–М52

М12–М52

Сверление

Рассверливание

Зенкерование

черновое

получистовое

Зенкование

Нарезание резьбы

Степень точности

ГОСТ 16093-81

Выбор режущих инструментов осуществляется в соответствии с заданным

маршрутом обработки отверстия, т.е. согласно последовательности выполнения

переходов (см. п. 5.3 учебного пособия) Диаметры режущих инструментов для

обработки отверстий на сверлильных станках с ЧПУ ориентировочно можно на-

значать согласно таблице 9.

Если известны глубины резания, то необходимые диаметры инструментов для

каждого перехода, начиная с последнего, рассчитываются по формуле:

= D

i + 1

– 2t

i + 1

Для перехода ―зенкование― диаметр инструмента d

определяется по формуле

= D

+ 2f

где D

— диаметр отверстия в предшествующем переходе или в заготовке, мм;

f — величина фаски.

Длины инструментов выбирают в зависимости от условий обработки, техниче-

ских требований, предъявляемых к детали и ее конструктивных особенностей.

После округления рассчитанных значений диаметров и длин, инструмент назна-

чается по действующим стандартам [8]. Из полученного набора инструментов для

обработки всех отверстий детали исключают одинаковые. При наличии в наборе

инструментов одного назначения и близких размеров рассматривают возмож-

ность выполнения соответствующих переходов одним инструментом.

Таблица 9

Инструмент для обработки отверстий на сверлильных станках с ЧПУ

Диаметр

отвер-

стия,

D, мм

Диаметр инструмента d, мм

Центровочное

сверло

Точность по диаметру отверстия, квалитет

7–8

спираль

ное

комби-

нирован

ное

Сверло

Зенкер

Развертка

черно

вая

Чистовая

2–3

6,3

1,0

D–0,1

DH7

3–4

2,5

4–6

10,0

4,0

D–0,2

6–8

5,0

D–0,04

8–10

15,0

10–13

6,3

D–1,0

D–0,15

D–0,05

13–15

20,0

8,0

15–18

D–2,0

D–0,2

D–0,06

18–30

Рекомендации по выбору марки инструментального материала в зависимо-

сти от обрабатываемого материала приведены в общемашиностроительных нор-

мативах [5,6]. Для повышения надежности работы инструменты в неблагоприят-

ных условиях (труднообрабатываемый материал, литье низкого качества) в этих

нормативах предусмотрено использование различного конструктивного оформ-

ления режущей части, а также инструментов с износостойкими покрытиями [4].

С целью повышения точности обработки гладких отверстий на станках с ЧПУ

можно принять во внимание описанные ниже рекомендации.

1. Для повышения точности диаметрального размера и снижения шероховато-

сти поверхности отверстия целесообразно применять комбинированные осевые

инструменты, такие как сверло-зенкер; развертка-раскатка; однолезвийная раз-

вертка; режуще-деформирующий инструмент и т.п.

2. При использовании инструментов для раскатывания, алмазного выглажива-

ния и образования регулярного микрорельефа достигается резкое снижение ше-

роховатости поверхности отверстия.

3. Применение плавающих, качающихся, плавающе-качающихся патронов и

оправок или плавающих разверток, плавающих расточных блоков и т.п. позволя-

ет сохранить ранее достигнутый малый допуск параллельности и перпендикуляр-

ности оси при повышении точности формы, размера и снижении шероховатости

отверстия.

4. Применение на станках с ЧПУ устройств направления режущего инстру-

мента значительно увеличивает жесткость технологической системы, что ведет к

повышению точности обработки отверстий, особенно по расположению оси. На

рис.17 показаны гибкие в переналадке устройства для переднего [11] и заднего

[12] направления инструмента на станках с ЧПУ.

Устройство для обработки отверстий с передним направлением на станках с

ЧПУ (рис.17,а) содержит инструментальную оправку 2, в центральном отверстии

которой расположен направляющий стержень 5. На нижнем торце последнего

выполнено центровое гнездо, по размерам и профилю адекватное коническим

выступам центрирующих опор 6. В качестве режущего инструмента 1 можно ис-

пользовать зенкер, развертку, расточную оправку и др.

В процессе обработки отверстия в детали 4 направляющий стержень базиру-

ется на центрирующую опору и постоянно к ней поджимается с помощью пружи-

ны 3 или силового цилиндра. При этом инструментальная оправка с инструмен-

том опускается вниз, производя обработку отверстия с заданной подачей и часто-

той вращения.

Размещение центрирующих опор, определяющих оси координат обрабаты-

ваемых отверстий, производится на установочной плите 7 до обработки отвер-

стий. Если установочная плита оснащена магнитным устройством, то размещение

и закрепление центрирующих опор производится с использованием программных

перемещений стола и шпинделя станка, а также дополнительной оправки, несу-

щей набор центрирующих опор. Возможен вариант закрепления центрирующих

опор на установочной плите (типа УСП и др.) с помощью резьбовых поверхно-

стей, выполненных на центрирующих опорах с торца, противоположного кониче-

ским выступам.

Устройство для заднего направления осевого режущего инструмента (рис.

17,б) содержит ползун 2, к торцу которого крепится сменная для различных диа-

метров инструмента кондукторная втулка 7. На наружной поверхности ползуна

выполнены три лыски, на которые опираются шарики 6, установленные в

трех секциях сепаратора. Перед обработкой в шпиндель станка устанавливается

режущий инструмент 1 (развертка, зенкер, и т.п.).

В процессе обработки суппорт 5 револьверной головки, например, станка с

ЧПУ мод. 2Р135Ф2, вместе с неподвижно закрепленным на ней корпусом 3,

опускается вниз и кондукторная втулка контактирует с поверхностью обрабаты-

ваемой детали 8. При дальнейшем опускании ползун вместе с кондукторной

втулкой остаются неподвижными, и инструмент по кондукторной втулке направ-

ляется в деталь. В то же время, суппорт с корпусом устройства совершает посту-

пательное движение вниз с заданной подачей, сжимая пружину 4. При этом про-

исходит перекатывание шариков по внутренней поверхности корпуса и лыскам

ползуна.

а)

б)

Рис.17 Устройства для переднего (а) и заднего (б) направления

режущего инструмента на станках с ЧПУ

Как показали лабораторные исследования, выполненные при развертывании

отверстий на сверлильном станке с ЧПУ мод. 2Р118Ф2, применение устройств

для направления инструмента позволяют уменьшить в 1,4–2 раза позиционные

отклонения по сравнению с традиционной обработкой без направления.

Кроме рассмотренных устройств, на кафедре ―Технология машиностроения,

станки и инструмент‖ Златоустовского филиала Южно-Уральского государствен-

ного университета разработаны и другие конструкции для переднего и заднего

направления режущих инструментов при обработке отверстий на станках с ЧПУ

сверлильно-фрезерно-расточной группы.

При нарезании резьбы в отверстиях часто возникают трудности с очисткой

метчика от стружки и стружка заклинивается в канавке. Хорошие результаты на

переходах нарезания резьбы в сквозных и глухих отверстиях с большим про-

странством для стружки между метчиком и дном отверстия дает применение мет-

чиков с прямыми канавками и канавками, заточенными по спирали. При нареза-

нии длинной резьбы в глухих отверстиях следует применять метчики со спираль-

ными канавками. У таких метчиков стружка поднимается по канавке в виде не-

прерывной ленты. При обработке магниевых и алюминиевых сплавов, а также

мягкой стали применяют бесканавочные метчики.

5.5. Координатные перемещения

При обработке отверстий на сверлильных станках с ЧПУ перемещения инст-

румента вдоль оси шпинделя (ось Z) разделяют на перемещения, связанные с

подводом инструмента к обрабатываемой детали для врезания, непосредственно-

го резания и перебегом инструмента, выполняемые с различными подачами.

Величины подвода l

и перебега l

определяются с учетом обеспечения мини-

мальных холостых перемещений с рабочей подачей и плавного ввода инструмен-

та в отверстие и вывода из него, характера предыдущей обработки (наличие за-

центровки, диаметр предварительного отверстия), геометрии инструмента. Длина

l обрабатываемого отверстия определяется по чертежу детали.

На рис.18 показана схема для расчета перемещений по оси Z (по оси инстру-

мента).

Рис. 18. Схема для расчета перемещений по оси Z