Методика поверхностного геометрического моделирования дисковых фрез для изготовления винтовых поверхностей

МЕТОДИКА ПОВЕРХНОСТНОГО ГЕОМЕТРИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ ДИСКОВЫХ ФРЕЗ ДЛЯ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ВИНТОВЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

В статье описывается метод поверхностного моделирования дисковых фрез для изготовления винтовых поверхностей рабочих роторов винтовых компрессоров и насосов.

Постановка задачи состоит в том, чтобы по известной геометрии винта, представленной в виде трехмерной геометрической модели, получить профиль производящей поверхности дисковой фрезы для обеспечения изготовления винта.

Основным отличием данной методики от существующих методик является тот факт, что для получения профиля фрезы не нужно знать точное аналитическое описание винтовой поверхности, а достаточно ее геометрических построений в среде любой из систем САПР.

Построение методики профилирования дисковых фрез было осуществлено при изготовлении насоса 2BB500/30, спроектированного в ОАО «СМНПО им. М.В. Фрунзе».

Полученные фрезы позволяют нарезать требуемые винтовые поверхности в точном соответствии с их геометрической моделью.

С развитием ЭВМ приобрели широкое распространение всевозможные методы компьютерного моделирования рабочих органов винтовых машин и специального режущего инструмента для их изготовления.

Анализ известных решений свидетельствует о целесообразности разработки методик проектирования, основанных на использовании графических и расчетных модулей CAD/CAM-систем.

Настоящая статья является логичным продолжением работ [1-3], в которых были рассмотрены некоторые возможности проектирования винтов и инструмента средствами твердотельного моделирования СAD-систем.

Постановка задачи состоит в том, чтобы по известной геометрии винта, представленной в виде трехмерной геометрической модели получить профиль производящей поверхности дисковой фрезы для обеспечения изготовления винта.

Основные положения теории формообразования поверхностей дисковыми фрезами приведены в работах [4-7], вопросы аналитического профилирования дисковых фрез и некоторые особенности технологии изготовления винтов _ в работах [8-10].

Основным отличием данной методики от существующих методик является тот факт, что для получения профиля фрезы не нужно знать точное аналитическое описание винтовой поверхности, а достаточно ее геометрических построений в среде любой из систем САПР.

Построение методики профилирования инструмента было осуществлено для создания дисковых и концевых фрез при изготовлении насоса 2BB500/30, спроектированного в ОАО СМНПО им. М.В. Фрунзе.

Полученные фрезы позволяют нарезать требуемые винтовые поверхности в точном соответствии с их математической моделью. Это оборудование изготовлено, испытания на натурных стендах подтвердили его расчетные параметры и эффективность.

Дисковая фреза по сравнению с концевой фрезой является более производительным инструментом, и с ее помощью можно в более короткие сроки произвести обработку винтовой поверхности.

Построение методики проектирования дисковых фрез для обработки винтовых канавок осуществляется аналогично методике [3], основываясь на анализе процесса формообразования детали.

Металл с заготовки срезается исходной поверхностью вращения, описываемой режущими кромками фрезы при вращении ее вокруг своей оси.

В результате образовывается поверхность винтовой канавки, которая оказывается касательной к этой исходной поверхности вращения.

Поэтому, чтобы получить заданную винтовую поверхность, необходимо построить такую исходную поверхность вращения, которая была бы касательной к винтовой.

Также необходимо обеспечить отсутствие внедрения исходной поверхности вращения в тело детали, ограниченное винтовыми поверхностями, и отсутствие взаимного пересечения соседних участков этой исходной поверхности вращения.

В итоге мы получим профиль формообразующих участков фрезы. Если учесть, что функции инструмента по рациональному срезанию припуска и формообразованию иногда находятся в противоречии, то дальнейшее совершенствование инструментальной обработки должно строиться из условий получения желаемого закона срезания припуска формообразующими и неформообразующими участками фрез.

В качестве проектирующей системы для отработки методики выбрана CAD/CAM-система Cimatron, имеющая довольно развитый геометрический моделировщик при работе с поверхностями, но данная методика построений может быть использована с применением и других CAD-систем.

В качестве исходных данных для проектирования фрезы была принята трехмерная поверхностная модель винтов (рис.1а), построенная на основании заданного профиля поперечного сечения и осевого шага.

Особенностью получаемого винта можно назвать наличие точки излома на его исходном закрытого типа профиле и довольно большой угол подъема витков при наружном диаметре 260мм и глубиной винтовой канавки 58.5мм (рис.1б).

Построение методики профилирования дисковой фрезы основано на геометрических построениях поверхностного моделирования, но аналогичные построения можно сделать и в твердотельном моделировании. Методика построения дает искомый профиль режущих поверхностей фрезы с учетом прерывистости линии резания.

Рисунок 1 - Исходные данные для проектирования дисковой фрезы по трехмерной модели винтов: а) трехмерная модель винтов в рабочем положении; б) осевое сечение винтов

Сущность построения можно выразить в том, что профиль фрезы находится как результат вращения винтовой впадины, ограниченной ее боковыми поверхностями, вокруг оси проектируемой фрезы при известном межосевом расстоянии и углах установки фрезы.

Описание алгоритма построений профиля дисковой фрезы средствами поверхностного моделирования:

1. Построение необходимых винтовых поверхностей.

2. Анализ возможных точек излома профиля винта и определение угла установки проектируемой фрезы относительно заготовки винта с учетом углов наклона его витков и выбора наиболее открытого сечения. Угол установки инструмента можно вычислить по формулам [5] или определить геометрическим путем как угол между осью винта и отрезком, построенным по нормали к двум спиральным кривым одинакового радиуса, с ограничивающим винтовую впадину в наиболее открытом сечении. В нашем случае при работе в системе Cimatron IT данные действия легко можно проделать с помощью команд: (LINE->2_CURVES), (VER->ANG-> BETWEEN_TWO_LINES).

3. Размещение оси проектируемой дисковой фрезы над заготовкой винта с учетом ее диаметра или межосевого расстояния и угла установки фрезы.

4. Построение с выбранным шагом набора плоскостей, проходящих через радиальные сечения проектируемой фрезы и нахождение в каждом из них линий пересечения с винтовыми поверхностями в пределах диаметра фрезы.

5. Построение набора частично перекрывающихся между собой поверхностей вращения, каждая из которых использует ось фрезы и линии пересечения, полученные на предыдущем шаге.

6. Нахождение искомого профиля в виде общей огибающей к набору кривых, полученных после пересечения полученных поверхностей вращения радиальным сечением фрезы (рис.2).

Тестирование фрезы методом компьютерной имитации процесса обработки (рис.3,a) показало возможность изготовления винта дисковой фрезой, что впоследствии подтвердилось при реальной нарезке винтов.

Рисунок 2 - Нахождение профиля дисковой фрезы в виде общей огибающей к набору кривых, полученных в радиальном сечении фрезы от поверхностей вращения винтовой впадины вокруг оси проектируемой фрезы: а) огибающие линии в верхней части фрезы; б) огибающие линии в наиболее открытом сечении фрезы возле точки излома профиля винта; в) огибающие линии в нижней части фрезы

Для проверки данного метода профилирования аналогичные построения были проведены по методике обкатки с вычитанием материала [2]. Обе методики дали идентичные результаты, профилируемые поверхности, полученные обоими методами, совпали в пределах точности построений 0,0015мм.

Результат сравнения двух методов профилирования фрезы показан на рис. 3в. При этом можно отметить некоторые преимущества у рассматриваемого нами метода, результат которого проявляется в виде плавной кривой, совпадающей пошагово со ступенчатым профилем, полученным по методике [2], для которого необходима дополнительная аппроксимация точек или задание слишком мелкого шага.

Рисунок 3 - Проверки методики профилирования дисковых фрез: а) имитация обработки дисковой фрезой заготовки винта для оценки возможной точности его изготовления; б) полученный вырез в заготовке винта для сравнения его с осевым сечением; в) увеличенный участок профиля фрезы, полученной разными методами

Приведенный графический метод расчета профиля дисковой фрезы подтвержден патентом [11], он значительно легче аналитических методов [4-7], его можно использовать для проверки аналитических расчетов и для проектирования новых фрез. Контроль таких фрез по мере износа можно вести по [12] с использованием данного метода, рассчитывая сразу несколько профилей фрез путем задания области допустимого существования таких фрез при определенных углах их установки, и рассчитывая для этого мерительный инструмент в виде набора шаблонов.

Вышеприведенная методика была апробирована в ОАО СМ НПО им. М.В. Фрунзе при проектировании геометрии профилей режущей части дисковых фрез для изготовления винтов.

Профили производящей поверхности инструментов, полученные с применением данной методики, показали соответствие необходимым расчетным размерам, чтобы обеспечить заданную геометрию винтов, что подтверждает правильность и эффективность разработанной методики.