2.4 Геометрические параметры РИ

2.4 Геометрические параметры РИ

1) Кинематическая (КСК) и инструментальная (ИСК) системы координат.

2) Основные принципы и положения по определению геометрии резания и геометрических параметров РИ.

3) Передний и задний углы, угол наклона режущей кромки, угол в плане как необходимые и достаточные для описания функциональной геометрии РИ. Их функциональное назначение, определение, диапазон изменения в различных РИ и оптимальные значения. Конструктивные, технологические и эксплуатационные ограничения.

4) Описание геометрии резания и геометрии РИ с использованием векторов. Представление этих векторов в матричной форме. Описание перехода от геометрии резания к геометрии РИ.

5) Анализ геометрических параметров РИ с резко очерченным фасонным профилем сложной формы. Расчет геометрических параметров, необходимых при изготовлении, заточке и контроле РИ. Выбор и назначение геометрических параметров РИ.

Для формообразования нужна производящая поверхность А_но, для сре­зания припуска - A_a , А_g, К. Чтобы описать эти функционально-конструктив­ные элементы, необходимо и достаточно иметь четыре угла: g, a, j, l.

В технологических объектах не должно быть лишних элементов (деталей). Все элементы должны выполнять свои определенные функции.

Углы также являются функциональными элементами – помогают срезать припуск и существенно влияют на F1 (через влияние на А_но). Например, расположение зубьев, кромок для успешного осуществления F2 может противоречить оптимальному осуществлению F1.

Нужно оптимизировать углы для обеспечения выполнения F1 и F2.

Для описания функциональной геометрии нужны КСК и ИСК. При этом РИ нужно рассматривать:

1) как объект, обеспечивающий F1 и F2, т. е. как замыкающее звено станка (орудие);

2) как объект, который нужно спроектировать, изготовить, проконтролировать, т. е. как деталь.

Функциональную геометрию связывают с кинематикой (КСК), без которой невозможно выполнение F1 и F2.Главные принципы:

1) рассмотрение F1 и F2 для всех РИ; выделение режущего клина, который одинаков и одинаково работает во всех РИ;

2) описание геометрии g, a, j, l в некоторой точке;

3) привязка координатных систем к векторам движений резания и подачи;

4) для описания функциональной геометрии РИ необходимо и достаточно четырех углов: g, a, j, l;

5) заготовка считается неподвижной (индекс 0), а РИ – подвижен;

6) применяем правую систему координат.

Изобразить конструкцию РИ как объекта проектирования, изготовления в КСК невозможно, т. к. вектора становятся привязанными к точке, которую мы выбрали для описания (рис. 2.31), а геометрия РИ должна быть задана однозначно. Поэтому вернулись назад к ИСК. Все идеи КСК (ее плоскостей, секущих) перенесли в ИСК, заменив индексы.

С точки зрения проектирования РИ g, a, j, l - базовые, неделимые конструктивные элементы и составляют нижний уровень иерархической структуры.

В КСК осуществляется привязка к точке, а режущий клин рассматривается выполняющим две функции: F1 и F2. В ИСК нельзя использовать

описание в точке, т. к. появляется много лишнего. Выбирают особые точки, в которых геометрия описывает всю режущую часть. Это вершины, в которых сходятся две режущие кромки. В ИСК привязка осуществляется по ЕСКД, что обеспечивает простоту изображения, единство описания конструкции инструмента и технологии его изготовления и измерения.

На рис. 2.31 б) - вектор результирующего движения резания; - вектор движения подачи (во много раз меньше ). Чтобы показать А_g и A_a, нужно два угла. В плоской задаче (рис. 2.31 а)) используют один угол (g и a).

, - векторы, лежащие соответственно на передней А_g и задней A_a1 поверхностях. В трехмерной задаче поверхность A_a описывается углами a и l; А_g - g и l; кромка К - j и l. Угол l нельзя отнести ни к A_a, ни к А_g, ни к описываемой точке.

КСК описывается ОCUZ, а ИСК (рис. 2.32) – О₁C₁U₁Z₁ (лучше О₀C₀U₀Z₀).

Прежде, чем ввести систему координат, нужно задать базу А. Затем показать поверхность, однозначно ориентированную относительно базы А (например, перпендикулярную к А). Теперь можно вводить координатную систему и ориентировать объект относительно плоскости чертежа. На чертеже показывают j₁ и j₂; вводят два сечения по К1 и К2. Если заданы l₁ и g, то l₂ определяется по формулам, т. к. он зависимый. На сечении А-А система координат смещается в точку О_1А и поворачивается на угол j₁. Чтобы показать l₁, нужно сделать сечение С-С или показать вид С. l₁ не равен l^*₁.

У сверла переменная геометрия, которая сильно зависит от выбора точки (рис. 2.33). У сверла два зуба (Z_o=2), и каждый зуб имеет две режущие кромки: Кi.j, i=1,2; j=1,2 (первая цифра – номер зуба, вторая – номер режущей кромки). Каждый зуб описывается g_i, a_i.j, j_i.j, l_i.j. Такой набор должен быть для каждого зуба плюс геометрия перемычки (К3). Углы j, a, w, y, j₂ постоянные, все остальные углы зависят от них. Геометрию рассматривают в точке А, которая расположена на известном расстоянии от оси сверла. Геометрия во всех точках сверла зависит от расстояния до оси сверла, формы задней поверхности в этих точках. Задняя поверхность имеет ленточки с a=0, которые выполняют функции центрирования и направления. В угол w "спрятаны" g и l. Базой сверла является ось симметрии. База - хвостовик с конусом Морзе, лишает РИ шести степеней свободы. У конуса есть недостаток: при неточном его

изготовлении контакт вала и втулки происходит по одному сечению. Поэтому сейчас часто изготавливают хвостовик цилиндрическим или с коротким конусом.

На рис. 2.34 изображена цилиндрическая фреза. Обработка угла a происходит в радиальном сечении А-А; g - в нормальном сечении к режущей кромке В-В, т. к. стружка сходит перпендикулярно к режущей кромке (А_g работает в направлении В-В.

На рис. 2.35 показана торцевая фреза. Сечения А-А и В-В описывают А_g, A_a1, A_a2. В этих сечениях и затачиваются углы. Геометрия фрезы зависит от геометрии резца и положения резца в корпусе, поэтому нужно показывать отдельно корпус фрезы (паз) и резец (сменную пластину – СМП). Геометрия СМП – промежуточная. Геометрия фрезы – это геометрия резания. Эти геометрии связаны между собой присоединительно-крепежной частью всей фрезы и СМП.

1)

КСК описывает геометрию в точке. Выбор точки связан с необходимостью описания F1 и F2, для чего необходимо и достаточно назначить g, a, j, l для любого инструмента.

ИСК требует выделения особых точек, которые описывают геометрию всего РИ. Здесь нельзя использовать зависимые углы.

2) Геометрия резания переменна: g, a, j, l¹const, а зависят от положения точки, ее ориентации относительно базовых поверхностей (a сильно зависит от j). Переходя от КСК к ИСК, нужно ввести ограничения (сверху и снизу) на изменение углов.

3) Функциональную геометрию назначают в КСК. Эта геометрия резания должна обеспечить заданную точность и шероховатость. Затем ее нужно адаптировать к выполнению F1 и F2, т. е. ее нужно превратить в геометрию инструмента (перейти в ИСК). При переходе появляются конструкторские, технологические и эксплуатационные ограничения, за которые выходить нельзя. Конструкторские ограничения связаны с рациональным описанием конструкции, делением геометрии (корпуса и СМП).

В настоящее время есть стандарты, таблицы, в которых для определенных условий задана геометрия РИ, которую нужно адаптировать к конкретной конструкции РИ.

В систему ограничений вводятся ограничения по геометрии резания. Этап проверки – рассчитанная геометрия резания в особых точках проверяется по ограничениям. Только затем выпускается чертеж инструмента.

Для выбора и обоснования геометрии используют накопленный опыт.

2.4.1 Задний угол

Функциональное назначение:

1) обеспечение свободы перемещения, подвижности A_a относительно поверхности резания A_ag (A_a не должна пересекаться с A_ag);

2) минимизация изнашивания задних поверхностей (I,мкм/на 1 мкм пути);

для деталей машин I=10^-10…10^-12; для РИ I=10^-5…10^-8, иногда 10^-9;

3) управление микрорельефом поверхности – шероховатостью;

4) обеспечение центрирующей и направляющей функций РИ, особенно для нежестких инструментов, путем базирования по A_a с a=0;

5) для многозубого инструмента – обеспечение допустимого биения расположения зубьев на определенном расстоянии.

Всегда должно выполняться условие: a³0. Диапазон изменения a: 0…30⁰.

У внутренней протяжки a=0…3⁰; у наружной a=10⁰;

у резцов a=5…15⁰; у фасонных a=2…15⁰;

у сверл a=5…20⁰, на ленточках a=0;

у фрез a=5…15⁰; у фасонных a=2…15⁰ (при жестких требованиях на биение могут быть ленточки с a=0);

у резцов для затылования a=20…30⁰.

Если сверла малого диаметра (0.1мм), то a=25…30⁰.

На участке 1 (рис. 2.36) работает геометрический фактор. Задняя поверхность стирается на величину х»const (рис. 2.37).

С увеличением a 1_a уменьшается. Есть допустимое значение [1_a]=0.3…1.5 мм, за которое выходить нельзя.

Участок 2 (рис. 2.36) обясняется тем, что с увеличением a уменьшается угол заострения, что приводит к сильному разогреву режущего клина (из-за ухудшения теплоотвода) и снижению стойкости. Кроме того тонкий клин хуже воспринимает механические нагрузки.

Таким образом на угол a влияют два фактора: геометрический и термодинамический. Они ограничивают a.

С точки зрения изнашивания можно найти оптимальный a. Но он будет изменяться в некотором диапазоне в зависимости от условий осуществления операции резания (ИМ, ОМ, толщина среза, станок, оснастка, уровень автоматизации).

Толщина среза а оказывает очень сильное влияние на a. В зависимости от величины а операции делятся на черновые, получистовые и чистовые.

На чистовых операциях а малые, чтобы не было деформаций и получалась малая шероховатость. В этом случае a_опт.=15…30⁰. Если а очень маленькое, то a приближается к 25…30⁰.

На черновых операциях а большие, поэтому возникают большие силы, высокие температуры. a_опт.=5…15⁰.

Явление наростообразования ухудшает устойчивость процесса. В переходной зоне (рис. 2.38) сильнее пластические деформации. На инструменте образуется своя переходная зона, которая достраивает A_a и А_g. Она нестабильна и меняется (может дорасти до больших размеров). Это нарост или "кинематическая переходная зона".

На угол a влияют ИМ. Они должны быть твердыми, прочными, теплостойкими. Но выигрывая в твердости, проигрываем в прочности, особенно на растяжение. Например, алмаз во много раз тверже стали, но в десять раз менее прочен.

Для БРС (НSS) с твердостью до 70 НRС_э и прочностью как у конструкционных сталей a_опт большой (верхний диапазон) и составляет для резцов около 15⁰.

Для резцов из твердых сплавов, у которых в 3…5 раз ниже прочность по сравнению с БРС, a=3…6⁰ (нижний диапазон), т. к. решается задача прочности клина. Те же тенденции и для инструментальной керамики.

Если ОМ вязкий, то a выбирается из верхнего диапазона. При твердом ОМ инструмент должен быть прочным, поэтому a снижают.

Но есть ограничения, по которым нельзя реализовать a_опт.

1. Мерные инструменты, особенно высокоточные (развертки, протяжки) требуют очень малых задних углов: a=1…3⁰. Если у таких инструментов задать большой a, то при их изнашивании будет сильно меняться диаметр обрабатываемого отверстия (рис. 2.39 а)). При переточке нужно срезать 1_a, что ведет к потере размера на Dd (рис. 2.39 б)). Допуск на a - 0.5…1⁰ в отрицательную сторону, поэтому угол a меньше 1…3⁰ назначать нельзя. Нужно обеспечить максимальную размерную стойкость, т. е. инструмент должен выдержать несколько переточек и не выйти за допуск обрабатываемого отверстия.

2. Для многозубого инструмента (протяжка, развертка) с жестким требованием на осевое биение зубьев относительно базы заднюю поверхность зуба делят на три части (рис. 2.39 в)). Фаска l_a с a=0 совпадает с обрабатываемой поверхностью и повышает стабильность процесса резания, а двойная задняя поверхность обеспечивает минимальное биение.

3. У не жестких инструментов (сверло) ленточка с a=0 обеспечивает дополнительное базирование для лучшего центрирования и направления.

4. У фасонных инструментов со сложным профилем (рис. 2.40). В основной точке О с r_o=min назначается в радиальном сечении a_о. В остальных точках a_i зависит от r_i (незначительно, т. к. глубина резания небольшая) и j_i (значительно). С уменьшением j_i a_i также снижается. Если j_i=0, то a_i=0 – для всех фасонных инструментов. Ограничение снизу: a_i³2…3⁰. Ограничение на a_i сверху связано с ограничениями на a_опт. и оптимальный угол заострения b. У фасонных резцов нужно оптимизировать b_min, что связано с обеспечением прочности инструмента.

Сначала назначают a_опт., затем вводят ограничения (если есть) и смещают значение a вверх или вниз.

В КСК показывают рабочую плоскость Р_S (рис. 2.41). Это связано с тем, что в ней определяют задний угол и всю геометрию резания. Р_S содержит вектор результирующего движения и вектор подачи (плоскость чертежа перпендикулярна ). Задний угол определяется как угол между и задней поверхностью. a описывает A_a в направлении подачи. = + , где -скорость главного движения. в плоскости Р_S показывается без искажения. Для определения геометрии резания нужно найти положение Р_S, которое совпадает с .

На рис. 2.42 показаны Р_S торцевой фрезы и сверла. Угол a, описываемый в ИСК, не совпадает с функциональным a в рабочей плоскости. Аналогично нужно описать l, j, g.

2.4.2 Передний угол

1) Ориентирует А_g относительно (геометрически) и формирует вместе с a режущий клин с углом заострения b=90⁰-a-g. Угол резания d=90⁰-g.

2) Определяет процессы и механику стружкообразования, форму и размеры стружки, составляющие силы резания.

Основная задача g - управление процессом превращения срезаемого слоя в стружку. С позиции стружкообразования g должен быть как можно больше, т. к. режущий клин заостряется, и процесс идет легче – уменьшаются силы. Идеальный случай, когда режущий клин является тонкой пластиной. Тогда не нужно затрат энергии на пластическую деформацию. Но в результате ограничений по прочности и формоустойчивости пластины она превращается в клин с углом заострения b. Для возможности обработки определенного материала определяют допускаемый b_min.

В настоящее время g=-15…30⁰, иногда g=-40⁰ или 45⁰ – в абразивных инструментах, когда колется зерно. При обработке мягких материалов (пластмассы), где на прочность РИ меньше внимания, g=40⁰.

Применяются сложные передние поверхности (рис. 2.43) с g¹const по мере удаления от режущей кромки (фаски, лунки). В пределах схода стружки g меняется от положительного значения до отрицательного и обратно. Могут быть А_g с несколькими лунками для более лучшего дробления и завивания стружки, что делает ее безопасной и транспортабельной.

Передний угол зависит от:

1) соотношения между ОМ и ИМ;

2) конструкции РИ;

3) условий обработки.

Большие значения g используются при:

1) сливной стружке;

2) в инструментах из БРС;

3) если ОМ легкообрабатываемый, малопрочный (сплавы Al, Cu, Mg);

4) на чистовых операциях.

Малые g (до -10…- 15⁰) применяются при:

1) элементной стружке;

2) в инструментах из твердого сплава или СТМ;

3) на черновых операциях (переменная глубина резания).

Если нужен большой g, а прочность режущего клина не выполняется, то делают фаску на длине примерно равной толщине среза (рис. 2.44). А этом случае фаска воспринимает основную нагрузку, напряжения сжатия, но энергия затрачивается с учетом только самого g.

Для определения g вводится плоскость стружкообразования Р_с – направление, по которому сходит стружка (рис. 2.45). Чтобы определить угол n, нужно знать толщину стружки.

При перемещении РИ за один цикл главного движения (рис. 2. 45 б)) номинальное АВСD и действительное АВЕD сечения среза не совпадают, поэтому стружка при l=0 сходит перпендикулярно не к главной режущей кромке, а к диагонали действительного сечения среза.

n зависит от соотношения t и S, и угла l. Если l>0, то смещается вправо, если l<0, то смещается влево.

= + , где - вектор подачи в плоскости Р_с. = соs j.

Для всех инструментов при описания g нужно смоделировать процесс, найти направление вектора схода стружки и ввести сечение С-С, в котором показывается функциональный угол g.

Ограничения на передний угол вводятся при ограничении на b, что связано с прочностью и формоустойчивостью режущего клина. С позиции режима резания, условий обработки ограничений на g практически нет. В основном ограничиваются верхние пределы значений g.

В ИСК нет заготовки и кинематики, поэтому задача определения g упрощается. Чертеж инструмента предполагает введение системы координат вдоль и перпендикулярно к главной режущей кромке. А_g показывается в направлении перпендикулярном к кромке. Это рациональное и достаточное описание с минимальным количеством координатных плоскостей. Плоскость Р_с не вводится, а g показывается в плоскости n. Это удобно для описания, изготовления, контроля.

2.4.3 Угол наклона режущей кромки

1) Обеспечивает задание положения формообразующей кромки, режущей кромки относительно .

2) Обеспечивает управление и определяет направление плоскости стружкообразования Р_с.

3) Частично обеспечивает равномерность процесса резания с точки зрения постоянства силы резания.

4) В ряде инструментов через l решается задача отвода стружки из зоны обработки.

5) Определяет положение вершины инструмента с точки зрения последовательности работы точек режущей кромки.

Если вершина выше режущей кромки (l<0), то первой вступает в работу вершина. Это используется на чистовых операциях, т. к. в этом случае стружка отводится от обработанной поверхности, но РИ имеет пониженную прочность. При l>0 вершиной является нижняя точка режущей кромки, и вершина вступает в работу последней. В этом случае стружка идет на обработанную поверхность.

Для РИ - 10⁰<l<10⁰. Положительный l имеют фрезы, протяжки. У осевых инструментов lºw и меняется в широких пределах: от 20⁰ до 60⁰. Большие l используются при больших g для улучшения отвода стружки. Поэтому на сверлах большие g.

l позволяет управлять g.

При фрезеровании (в основном у периферийных фрез) l=20…30⁰. Позволяет улучшить равномерность фрезерования, но при больших l возрастает осевая составляющая силы резания. Поэтому, чтобы снять ограничения на l сверху, применяют фрезу, показанную на рис. 2.46. Тогда осевая составляющая силы резания снимается.

В настоящее время у разверток и протяжек используют l³60⁰. Это дает возможность получить низкую шероховатость, т. к. большие l позволяют для чистовых процессов уменьшить отрицательное влияние нароста на шероховатость. Большие l делают нарост нестабильным, переводя его в боковую стружку, и шероховатость снижается до суммы шероховатостей от РИ, геометрии РИ и кинематики резания (рис. 2.47).

Наиболее простая конструкция РИ: l=0; при l¹0 сложность проектирования режущей части увеличивается.

На рис. 2.48 а) плоскость К совпадает с режущей кромкой или касательна к ней. Чтобы показать l, можно взять вид А или сечение Б-Б. l задается в одной и той же плоскости, которая касательна к режущей кромке. В ИСК l определяется от вершины (рис. 2.48 б)). Это особая точка, принадлежащая главной и вспомогательной кромкам.

Рост l ограничивается:

1) увеличением ширины среза b, т. к. это ведет к увеличению силы резания;

2) появлением дополнительных сил и их величинами (появление осевых сил при периферийном фрезеровании – должны быть направлены к шпинделю);

3) направлением схода стружки – при чистовой обработке стружка не должна идти на обработанную поверхность.

2.4.4 Угол в плане

Функциональное назначение:

1) определение положения режущей кромки относительно ;

2) управление образующей поверхности детали: А_н(U), через остаточное сечение среза;

3) управление параметрами сечения среза b и а: при увеличении j b уменьшается, а – увеличивается (площадь сечения среза постоянна);

4) управление прочностью режущего клина через угол при вершине e;

5) вместе с S влияет на шероховатость детали: при чистовой обработке применяют малые j и S.

Первые три функции могут выполняться при свободном и несвободном резании; последние две – при работе двумя кромками.

e_опт.³150⁰. На чистовых операциях это соотношение может нарушаться, на черновых – нет, т. к. там большие нагрузки и тепловыделение.

При увеличении b увеличивается радиальная составляющая силы резания Р_у, которая деформирует систему СПИД, делает процесс резания неустойчивым. Ограничение связано с толщиной среза: при уменьшении а резко растут силы, отнесенные к единице сечения среза (рис. 2.49). При малых а плохо работает переходная радиусная кромка (металл не режется, а сминается) – ограничение а снизу.

Все это влияет на выбор величины j. В настоящее время j=0…95⁰. Главный угол j и вспомогательный j₁ входят в этот диапазон по-разному:

j=30; 45; 60;75; 90; 95⁰, а j₁=0; 5; 10; 15; 30; 45⁰.

j=30 используется редко. В основном j=75…95⁰. Это связано с геометрией заготовки: фаски, переходные участки (рис. 2.50).

Чтобы обеспечить e=150⁰ j должен быть примерно 30⁰, но эта зона используется не часто, т. к. возникают большие силы. Если важна устойчивость и жесткость процесса резания, то j=90⁰.

Для обеспечения e_опт. j₁ чаще всего 5, 10, 15⁰. Если нужно обеспечить малую шероховатость, то j₁=0⁰ и выполняется на переходной режущей кромке малой длины. Эта кромка срезает остаточные гребешки микронеровностей.

При отрезке b очень мало. Можно произвести отрезку фрезой с b=1мм, что резко уменьшит отходы материала. У отрезного резца (рис. 2.51) b=1мм сделать невозможно. Для К1 j₁=90⁰; на кромках К2 и К3 углы 1…2⁰. На малом участке задней поверхности их можно сделать нулевыми.

2.4.5 Координатные системы

Статическая система координат (плоскость чертежа перпендикулярна ) совпадает с КСК при =0.

В ИСК нет векторов скоростей, оси координат привязаны к базовым поверхностям (у резца – две плоскости).

Функциональная геометрия резания: g, a, l, j, служит для описания процесса резания, и определяется в КСК, которая связана с , , . Геометрию резания нужно превратить в геометрию РИ, т. е. перенести ее из КСК в ИСК.

В КСК геометрия описывается в точке, а в ИСК – в особых точках, участках (их количество должно быть минимально), которые позволяют описать геометрию всего РИ. При этом нужно показать, что геометрия резания действительно выполнена во всех точках РИ.

Этапы проектирования геометрии РИ:

1) выбираются базы;

2) выбираются особые точки и участки, координатные оси привязываются к базам;

3) проводится анализ геометрии с проверкой ее в опасных точках и участках.

Особые точки – вершины; точки, максимально или минимально отстоящие от баз или находящиеся на максимальном или минимальном радиусе.

Дата добавления: 2015-09-29