ПРОЕКТИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПЕРЕХОДОВ ОБРАБОТКИ ЦИЛИНДРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ НА ОСНОВЕ ФОРМАЛИЗОВАННЫХ ДВИЖЕНИЙ ОСЕВОГО ИНСТРУМЕНТА

DESIGN OF TECHNOLOGICAL TRANSITIONS FOR PROCESSING CYLINDRICAL SURFACES BASED ON FORMALIZED MOVEMENTS OF AN AXIAL TOOL

Sergey Borisov

мaster's student, Department of Computer-integrated Production Systems, Polytechnic Institute, Far Eastern Federal University,

Russia, Vladivostok

Elena Ruzhitskaya

scientific supervisor, Candidate of Technical Sciences, Associate Professor, Polytechnic Institute, Far Eastern Federal University,

Russia, Vladivostok

АННОТАЦИЯ

В статье рассмотрен оригинальный подход к проектированию технологических переходов механической обработки заготовок на основе сравнительного анализа математических описаний движений осевых режущих инструментов и производящих линий цилиндрической элементарной поверхности. Предложены формализованные принципы выбора инструмента при проектировании технологических процессов.

ABSTRACT

The article considers an original approach to the design of technological transitions for machining workpieces based on a comparative analysis of mathematical descriptions of the movements of axial cutting tools and production lines of a cylindrical elementary surface. The formalized principles of tool selection in the design of technological processes are proposed.

Ключевые слова: формообразующие движения; шестиклеточные таблицы; технологический процесс; переход; формализация, движения резания, осевой инструмент, выбор инструмента, проектирование перехода, автоматизированное проектирование.

Keywords: shaping movements; six-cell tables; technological process; transition; formalization, cutting movements, axial tool, tool selection, transition design, computer-aided design.

Главная тенденция настоящего времени - цифровизация и автоматизация различных сфер деятельности человека, особенно в области производства различных механизмов, машин и оборудования. В условиях глобальных вызовов остро встает вопрос автоматизации процессов подготовки производства новых изделий и, в том числе, проектирования технологических процессов изготовления деталей, которое до сих пор в большой степени выполняется человеком, а качество разработок зависит от степени его профессионализма и квалификации. Такое положение дел связанно с тем, что на различных этапах проектирования возникает множество неопределенностей в виде вопросов, не имеющих однозначного решения или связанных с отсутствием четких правил их решения.

Процессам формализации подходов проектирования маршрутов механической обработки деталей посвящен ряд научных работ Лелюхина В. Е., основанных на «Теории неидеальных объектов» и использовании шестиклеточных таблиц, описывающих элементарные поверхности получаемой детали [3, с. 72].

Следуя разработанной теории с помощью шестиклеточных таблиц, предлагается описывать движения резания инструментов, в частности, для механической обработки цилиндрических поверхностей осевым металлорежущим инструментом. Полученная таким образом база данных позволит формализовать проектирование технологических переходов, как основной структурной составляющей технологического процесса обработки деталей.

Форма поверхности, получаемая при обработке заготовок на металлорежущих станках, достигается за счет движений, реализуемых станком. Эти движения через соответствующие механизмы и элементы приспособлений в конечном итоге подводятся или к заготовке, или к инструменту, или к первому и второму одновременно. Акцентируя внимание на самих движениях резания, их можно условно привязать только к инструменту и отобразить схематично в виде стрелок, расположенных определенным образом относительно осей заданной системы координат (рис. 1.).

Рисунок 1. Движения осевого инструмента и их отображение в виде шестиклеточных таблиц: а) сверла; б) концевой фрезы; в) круглой протяжки; г) торцевой фрезы; д) дисковой/цилиндрической фрезы

Все теоретически возможные варианты движений резания удобно описать в математическом виде, в котором линейные перемещения вдоль осей обозначим Хl, Yl и Zl, а вращения вокруг этих осей - Xα, Yα и Zα. Для удобства представим их в виде шестиклеточной таблицы, в которой заком «1» обозначим возможность работы инструмента в рассматриваемом направлении, а заком «0» – ее отсутствие.

Важно отметить, что ряд рассмотренных инструментов (протяжка, торцевая, дисковая и цилиндрическая фрезы) в процессе обработки не совершают часть движений из шести теоретически возможных (по числу степеней свободы). Эти движения формально реализуются через геометрию режущей кромки или инструмента в целом. На схемах инструмента такие движения стрелками не показаны, в таблицах обозначены «’’1’’» (рис. 1). Также следует понимать, что режущая кромка инструмента имеет свои неизменяемые геометрические параметры и это накладывает определенные ограничения на протяженность обрабатываемой поверхности. Так в случае использования торцевой фрезы (рис.1 г) длина обработки в направлении параллельном оси Y будет ограничена размером «lY» фрезы.

Как указывалось ранее, обработка деталей осуществляется за счет движения рабочих органов станка. Они разделяются на главное движение резания и движения подачи. Известно, что главное движение резания всегда одно, а движений подач может быть несколько. Для осевого инструмента главным является вращение вокруг собственной оси, за исключением протяжки, у которой главным является прямолинейное движение вдоль её оси.

Очевидно, что при обработке инструмент не может перемещаться по всем возможным направлениям одновременно. Удаление слоя металла возможно только при определенных сочетаниях движений, поэтому разобьём обобщенные таблицы движений для инструментов на частные, содержащие как минимум парную комбинацию движений резания, одно из которых главное (рис. 2).

Теоретически концевые фрезы в отдельных случаях могут выступать в качестве резцов, но исходя из конструкции всех фрез, к ним необходимо подводить вращение относительно оси инструмента. В то же время, если придать круговое движения вращения резцам, то их можно использовать вместо фрез.

Рисунок 2. Комбинации движений инструмента: а) торцевой фрезы; б) дисковой фрезы; в) цилиндрической фрезы; г) концевой фрезы; д) сверла; е) круглой протяжки

При таком представлении обработки концевой фрезой в таблицах объединяются три движения (на рисунке 2 г обведено пунктирной линией) – одно главное (вращение) и два движения подачи, одно из которых линейное (единица в строке «l»), а второе – вращательное (единица в строке «α»),

У торцовой, дисковой отрезной и цилиндрической фрез (рис.2 а, б, в) в отличие от концевой, в шесиклеточных таблицах одна из единиц обозначена как символом «’’1’’». Это объясняется тем, что во время любой обработки режущая кромка фрезы, олицетворяющая движение резания, всегда участвует в процессе резания, что и нашло отображение в таблицах.

Положение инструмента в выбранной системе координат определяет направления возможных движений резания и, соответственно, содержание ячеек шестиклеточных таблиц. При изменении пространственного положения инструмента будут меняться и ячейки со знаками «1» и «0» в таблицах, формально представляющих движения этого инструмента (рис. 3).

Рисунок 3. Изменение содержания шестиклеточных таблиц при изменении положения осевого инструмента: а) ось торцевой фрезы параллельна оси Y; б) ось торцевой фрезы параллельна оси Z

Согласно «Геометрии неидеальных объектов» элементарные поверхности (плоскость, сфера, цилиндр) можно представить в виде производящих линий (формообразующих движений станка), описанных аналогичными для движений инструмента шестиклеточными таблицами. Тогда, отобразив таблицами формообразование элементарных поверхностей детали и имея таблицы инструментов, можно провести их сопоставление, отбирая подходящие по движениям инструменты и методы обработки, формируя таким образом основные технологические переходы процесса обработки детали. Главным критерием отбора будем считать, как минимум, наличие той же пары единиц в тех же ячейках таблиц поверхности и инструмента.

Рассмотрим алгоритм проектирования перехода по предложенной методике на примере цилиндрической поверхности и ее шестиклеточной таблицы образующих движений. Под цилиндрической поверхностью будем понимать только форму поверхности, т.е. у реальной детали это может быть, как внутренняя цилиндрическая поверхность (отверстие), так и наружная.

Поместим цилиндрическую поверхность в ранее рассмотренную систему координат с размещенными и описанными в ней инструментами. Из рисунка 4 видно, что для обработки цилиндрических поверхностей можно использовать как сверло, так и концевую фрезу при комбинации определенных движений (совпадение двух единиц в ячейках Y-l и Y-α). Однако, для внутренних цилиндрических поверхностей дополнительным условием выполнения обработки является соответствие размеров инструментов геометрическим размерам отверстия. Обработка наружных цилиндрических поверхностей сверлом теоретически возможна при наличии станка, реализующего все необходимые движения резания, что в настоящее время невыполнимо в связи с отсутствием подобного оборудования. Обработка наружных цилиндрических поверхностей концевой фрезой не имеет особых ограничений.

Рисунок 4. Принцип сопоставления таблиц цилиндрической поверхности (а) с таблицами движений сверла (б) и концевой фрезы (в)

У торцевой фрезы (рис. 5 б) также есть пара необходимых для обработки единиц в соответствующих ячейках и дополнительно ещё одно перемещение - единица в ячейке X-l (б.1) или в ячейке Z-l (б.2). Это значит, что обработка возможна с дополнительной подачей инструмента либо вдоль оси Х, либо вдоль оси Z. Условия обработки торцевой фрезой наружных и внутренних поверхностей аналогичны рассмотренной выше обработке концевой фрезой.

Обработка внешних цилиндрических поверхностей круглыми протяжками (рис. 5 в), как и в случае использования сверла теоретически возможна, но практически не реализуема. Обработка цилиндрической и дисковой фрезами невозможна, так как сопоставление таблиц инструментов и поверхности дает отсутствие общих пар единиц в соответствующих ячейках.

Рисунок 5. Результаты сопоставления таблиц цилиндрической поверхности (а) с таблицами движений торцевой фрезы (б) и протяжки (в)

Используя рассмотренный алгоритм, выберем инструмент для получения цилиндрической поверхности расположенной параллельно оси Х той же системы координат (рис. 6).

По совпадающим единицам в ячейках X-l и X-α таблиц поверхности и инструментов можно выбрать концевую фрезу (рис 6 в), но при условии обязательного её вращения в направлении Yα, что предписывает единица в ячейке Y-α таблицы инструмента.

Отсутствие одинаковой пары единиц в таблицах поверхности и режущих инструментов сверла, протяжки, цилиндрической и дисковой фрез делает невозможным их использование для обработки данной цилиндрической поверхности.

Рисунок 6. Результаты сопоставления таблиц сверла (б) и концевой фрезы (в) с цилиндрической поверхностью (а), параллельной оси Х

В случае расположения цилиндрической поверхности таким образом, что ось ее вращения параллельна оси Z (рис. 7) обработка сверлом, протяжкой и торцевой фрезой невозможна. Для концевой, дисковой и цилиндрических фрез доступна обработка как внешней, так и внутренней поверхности вращения, при соблюдении условий, отмеченных выше.

Рисунок 7. Представление элементарной цилиндрической поверхности в положении, параллельном оси Z

Результаты научной работы подтверждают возможность использования предложенной методики выбора режущего инструмента и, соответственно, метода обработки цилиндрических поверхностей при формировании основных переходов технологических процессов обработки деталей.

Положенный в основу принцип описания производящих линий элементарных поверхностей и движений резания инструмента с помощью шестиклеточных таблиц, а также правила подбора инструмента путем сравнительного анализа и отсеивания не подходящих по формальным признакам вариантов (не совпадению цифровых кодов в определенных ячейках информационных таблиц поверхности и инструмента) представляются весьма перспективным направлением на пути создания автоматизированных систем проектирования технологических процессов механической обработки деталей.

Список литературы:

1. ИННОВАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В СОВРЕМЕННОСТИ: сборник статей Международной научно - практической конференции (26 апреля 2016 г., г. Владивосток). - Владивосток: ДВЦИТ, 2016. - 88с.
2. Лелюхин В.Е., Кузьминова Т.А., Колесникова О.В., Антоненкова Т.В. Формальное представление детали для автоматизации процесса проектирования технологии изготовления.// Наукоѐмкие технологии в машиностроении. № 11, 2015 г. с 32-36.
3. ГОСТ 25761-83 Виды обработки резанием. Термины и определения общих понятий.
4. Лелюхин В. Е., Колесникова О. В., Ружицкая Е. В., Антоненкова Т. В. Геометрия неидеальных объектов в инженерной деятельности (машиностроение и робототехника): монография / В. Е. Лелюхин, О. В. Колесникова, Е. В. Ружицкая, Т.В. Антоненкова. – Москва: Знание-М, 2020. – 105 с.