Технологические процессы формообразования стружечных канавок спиральных сверл
Ю. В. Федоров, С. Л. Леонов, А.А. Хоменко, Э. В. Кениг
ПРОЕКТИРОВАНИЕ ФРЕЗ
ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВИНТОВЫХ КАНАВОК СВЕРЛ АНАЛИТИЧЕСКИМ (с использованием ЭВМ)
И ГРАФИЧЕСКИМ МЕТОДАМИ
Методическое пособие по дисциплине:Б.1.В.ДВ.1 «Проектирование и технология изготовления металлорежущего инструмента». Для магистров направления 15.04.05 -«Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств»
Барнаул 2015
УДК 621.9.025
Федоров Ю. В., Леонов С. Л., Хоменко А.А., Э. В. Кениг. Проектирование фрез для обработки винтовых канавок сверл аналитическим (с использованием ЭВМ) и графическим методами». Методическое пособие по дисциплине: «Проектирование и технология изготовления металлорежущих инструментов». по дисциплине Б.1.В.ДВ.1 «Проектирование и технология изготовления металлорежущего инструмента». Для магистров направления 15.04.05 -«Конструкторско-технологическое обеспечение машиностроительных производств», перераб. и доп. /Алт. гос. тех. ун-т им. И. И. Ползунова. - Барнаул: Изд-во АлтГТУ, 2015. - 96 с.
В методическом пособии рассматриваются теоретические и практические аспекты профилирования фасонных фрез для обработки винтовых канавок сверл, а также приводятся требования к содержанию и выполнению курсового проекта по дисциплине: «Проектирование и технология изготовления металлорежущих инструментов».
Рассмотрены и одобрены на заседании кафедры "Технология машиностроения". Протокол № 1 от 15 сентября 2015 г.
Рецензент: д.т.н., профессор Татаркин Е.Ю., профессор, зав.кафедрой «Технология машиностроения» АлтГТУ им. И.И. Ползунова
ãАлтайский государственный технический университет
им. И.И. Ползунова, 2015г.
СОДЕРЖАНИЕ
| стр. 1 ВВЕДЕНИЕ ……………………………………………………........ 4 | |
| 1.1 Технологические процессы формообразования стружечных канавок спиральных сверл……………………………………………5 | |
| 1.2 Наиболее распространенные методы профилирования дисковых канавочных фрез ……..………........................................................... 17 | |
| 2 АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД (метод касательных) ПРОЕКТИРО - ВАНИЯ ПРОФИЛЯ ФРЕЗЫ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВИНТОВЫХ КАНАВОК СВЕРЛ 2.1 Параметры номинальной поверхности детали и производящей поверхности инструмента …………………………………………….26 | |
| 2.2 Формообразование поверхностей дисковыми инструментами.. 29 | |
| 2.3 Расчет профиля фрез для стружечных канавок спиральных сверл ....……………………………………………………………….. 32 | |
| 2.4 Автоматизация расчета профиля дисковой фрезы …….…........ 53 | |
| 3 ГРАФО-АНАЛИТИЧЕСКИЙ МЕТОД ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПРОФИЛЯ ФРЕЗЫ ДЛЯ ОБРАБОТКИ ВИНТОВЫХ КАНАВОК СВЕРЛА 3.1 Исходные параметры для профилирования фрезы……………. 64 3.2 Графическое построение конической заточки…………………..67 3.3 Графическое построение профиля фрезы для винтовой канавки сверла…………………………………………………………………..70 4 КУРСОВОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ ПО ТЕМЕ: «Исследование конструктивно-геометрических параметров и коррекционного расчета профиля фрез с затылованным зубом при γа > 0 4.1 Пояснительная записка………………………………………….. 79 4.2 Графическая часть проекта……………………………………… 90 ЛИТЕРАТУРА………………………………………………………..92 |
ВВЕДЕНИЕ
Важнейшим условием успеха в современном инструментальном производстве является сокращение времени на проектирование и изготовление инструмента, снижение его себестоимости и повышение качества. Это в полной мере относится к одному из самых распространенных инструментов – спиральным сверлам.
Для качественного изготовления спиральных сверл малого (5−12 мм) и среднего диаметров (12–30 мм) широко используют фрезерование стружечной канавки. Такой способ получения винтовых канавок является универсальным и его используют во всех типах производств (от единичного до массового). Фрезерование позволяет легко изменить геометрию, параметры поперечного сечения стружечной канавки, диаметр сердцевины, шаг винтовой канавки, величину понижения спинки, центральный угол, определяющий ширину канавки, что в свою очередь дает возможность выбрать геометрические параметры инструментов в зависимости от материала, который сверлят в экстремальных условиях обработки.
Наиболее трудоемким этапом технологической подготовки производства сверл является разработка профиля дисковой фрезы. Определение профиля таких фрез в их диаметральном сечении является сложной задачей, так как она решается с учетом многих факторов: профиля детали, параметра ее винтовой поверхности, положения оси инструмента относительно оси обрабатываемой детали и габаритных размеров инструмента. Наиболее эффективным вариантом расчета профиля таких фрез, получивших название канавочных, является использование компьютерных программ. Поэтому важными этапами при подготовке производства сверл малого и среднего диаметров являются:
- определение профиля производящей поверхности дисковой фрезы по заданным параметрам сверла;
- определение параметров установки инструмента относительно детали;
- нахождение недорезов и срезов на профиле изготовляемого сверла;
Сложной задачей является геометрически точное задание параметров винтовой канавки. Для каждого вида сверл приходится вновь рассчитывать параметры винтовой канавки, по которым, используя существующие методики, рассчитываются параметры дисковой фрезы.
Повысить точность обработки, прочность сверл, надежность выхода стружки по стружечным канавкам и увеличить в 2-3 раза стойкость сверл можно путем обеспечения точного расчета профиля дисковых фрез. Решение данного вопроса всегда находилось в прямой зависимости от средств, которыми располагал инженер-конструктор для проведения расчетов. При отсутствии электронно-вычислительных машин для расчета дисковой фрезы применялись различные приближенные графические, графо-аналитические и аналитические методы, которые часто были громоздкими и имели невысокую точность.
Использование вычислительной техники (ЭВМ) позволяет достаточно эффективно совершенствовать процесс проектирования дисковых фрез. Рациональные алгоритмы, реализованные с помощью программ, способствуют не только повышению производительности труда, но и повышению качества и стабильности фрезерования, что особенно важно для сверл малого и среднего диаметров.
Технологические процессы формообразования стружечных канавок спиральных сверл
Для изготовления стружечных канавок сверл в зависимости от типа, диаметра сверл и масштаба производства используют: фрезерование, глубинное шлифование, продольно-винтовой прокат, горячую вальцовку с последующей завивкой, прессование, литье в оболочковые формы и комбинированные способы обработки (фрезерование канавок и шлифование спинки, продольно-винтовой прокат и шлифование канавок) [2, 3, 4, 6, 10].
В условиях крупносерийного и массового производств наиболее эффективным по коэффициенту использования металла и производительности является формообразование методом пластического деформирования. Применяют горячее прессование заготовок спиральных сверл. В процессе прессования формируется одновременно режущая и хвостовая части с минимальным припуском под последующую механическую обработку. Гидродинамическим выдавливанием образуются канавки сверл путем прессования через матрицу нагретой заготовки в условиях всестороннего сжатия.
Для образования винтовых канавок на заготовках сверл диаметром 13 - 55 мм применяют горячую вальцовку заготовок с последующей завивкой винтовых канавок. Редуцированием (проталкиванием заготовки пуансоном через редуцирующий фильер) получают ступенчатые заготовки рабочей и хвостовой частей концевого инструмента. Ротационным обжатием (ковкой или прессованием в радиальном направлении в условиях трехстороннего сжатия) образуют стружечные канавки, коническую часть хвостовиков и др.
В серийном и крупносерийном производстве стружечные канавки спиральных сверл обрабатывают фрезерованием или шлифованием.
●Прессование в специальных штампах
В процессе прессования формируются сразу режущая и хвостовая части с минимальным припуском под последующую механическую обработку или шлифование.
Рисунок 1.1 – Штамп для горячего прессования спиральных
сверл.
Нагретую до температуры 1000º−1200°С заготовку закладывают в контейнер 1 (рисунок 1.1), который подогревается электрической печью до температуры 400 °С. При рабочем ходе пуансона 2 заготовка 3 прессуется. По окончании рабочего хода пуансон возвращается в исходное положение. Ходом штока нижнего цилиндра 4 контейнер снимается с поковки (хвостовика концевого инструмента), удерживаемой матрицей 5 и съемным кольцом 6, и поднимается вверх
Матрицы изготавливают из дисперсионно-твердеющих сплавов литьем по выплавляемым моделям. В качестве технологической смазки применяют графито-масляную смесь.
●Гидродинамическое выдавливание
Горячее гидродинамическое выдавливание заключается в выдавливании через матрицу, имеющей профиль сечения инструмента, нагретой до ковочной температуры заготовки с применением промежуточной графитовой среды. Этот метод допускает степень деформации до 75 %. Шероховатость поверхности выдавленных поверхностей Ra = 2,5−1,0 мкм, точность размеров в пределах 0,2−0,3 мм.
При горячем гидродинамическом выдавливании (ГГДВ) создаются наиболее благоприятные условия всестороннего неравномерного сжатия, достигается минимальное значение коэффициента трения и максимальное приближение к изотермическому деформированию.
Горячее выдавливание можно производить на кривошипном прессе. На рисунке 1.2, а представлена схема гидродинамического выдавливания канавок спиральных сверл: пуансон 2 через графитовый вкладыш 3 передает давление на нижний торец заготовки 6 (нагретый до закалочной температуры 1230º−1245 °С), пока усилие деформации не превысит усилие разрушения вкладыша. В результате создается плотное соединение заготовки с входным конусом матрицы 5, препятствующее истечению материала промежуточной среды (графита) сквозь очко матрицы.
По мере нарастания давления разрушаемый пуансоном графитовый материал заполняет свободное пространство вокруг заготовки и частично затекает в зазор между контейнером 1 и пуансоном 2. В дальнейшем порошкообразная графитная среда уплотняется до такой степени, что заготовка проходит через калибрующую втулку 6 и поступает в охлаждающую среду 7 для закаливания.
Для гидродинамического выдавливания используют стандартные кривошипные прессы с усилием 1 МН и выше.
Рисунок 1.2 – Горячее гидродинамическое выдавливание
стружечных канавок
Схема типового штампа для ГГДВ режущего инструмента с отверстием показана на рисунке 1.2, б). Пуансон 1 входит в контейнер 2 и с помощью иглы 8 и графитового вкладыша 9 прошивает заготовку 7 и выдавливает ее через очко матрицы 4 (запрессованной в обойме 5) и затем через калибрующую втулку 6. Нагрев штампа производится токами промышленной частоты через водоохлаждаемый индуктор 3 до температуры 420−450 °С.
●Продольно-винтовое прокатывание
В массовом производстве сверл диаметром 1,7−25 мм применяют продольно-винтовое прокатывание винтовых канавок, спинок и ленточек на специальных полуавтоматических и автоматических станках (рисунок 1.3).
Сущность продольно-винтового прокатывания заключается в прокатывании рабочей части заготовки (нагретой до температуры ковки) за один проход между двумя парами профильных сегментов, вращающихся синхронно и расположенных под углом к продольной оси заготовки, близким к углу наклона винтовой канавки. Одна пара профилирует профиль канавок, а другая – профиль спинок и ленточек.
Рисунок 1.3 – Расположение секторов при продольно-винтовом прокатывании сверл: 1 − спиночный сектор; 2 – канавочный сектор
Данный способ в десятки раз превосходит по производительности производство сверл методом фрезерования (1500−7500 шт. в смену в зависимости от диаметра сверла). Для выбора стали под прокатку лимитирующим фактором является ее пластичность в нагретом состоянии.
Метод продольно-винтового проката, кроме повышения производительности труда, дает экономию быстрорежущей стали.
●Горячее вальцевание
Горячее вальцевание заготовок (рисунок 1.4) с последующей завивкой винтовых канавок применяют в крупносерийном и массовом производстве для образования винтовых канавок, спинок и ленточных сверл на заготовках диаметром 13−55 мм. Способ заключается в прокатывании рабочей части заготовки сверла (нагретой до температуры ковки 1050−1150°С) между профильными валками, оси которых параллельны.
Рисунок 1.4 – Ручьи секторной прокатки заготовок сверл
Прокатка на вальцовочном стане производится последовательно между четырьмя парами секторов с профилем переменного сечения. Каждая пара секторов постепенно обжимает рабочую часть заготовки (рисунок 1.4). После прокатки в последнем ручье на заготовке сверла образуются прямые профильные канавки, спинки и ленточки. По окончании прокатки заготовку, остывшую до температуры 750−800 °С, завивают на специальном стане завивочными роликами.
●Ротационное обжатие
При производстве заготовок сверл применяют метод ротационного обжатия или радиальной ковки, также представляющей собой разновидность обработки давлением.
Сущность процесса заключается в том, что заготовка подвергается прессованию или ковке в радиальном направлении одновременно двумя бойками (пуансонами). Благодаря постепенности деформации, происходящей в условиях трехстороннего сжатия, удается в один проход получить значительную степень деформации без разрушения заготовки из малопластичной быстрорежущей стали.
Ротационное обжатие производят на специальных ротационных прессах или на кривошипных прессах в специальных штампах. На рисунке 1.5 в качестве примера приведена схема работы штампа для формообразования стружечных канавок сверл. Заготовка 8 центровыми отверстиями базируется на нижний 2 и верхний 1 керны. При ходе ползуна пресса и стакана 3 вниз клинья 4 и 5 давят на бойки-пуансоны 6 и 7, которые совершают движение, перпендикулярное к оси заготовки.
Под штамповку нагревают (для стали Р6М5 до 1050−1150˚С) только часть заготовки из быстрорежущей стали. Ротационное обжатие можно применять для сверл с коническим хвостовиком.
а)
б)
Рисунок 1.5 – Штампование сверла: а – схема штампования стружечной канавки; б – специальный ротационный пресс.
●Вышлифовывание стружечных канавок
Вышлифовывание − процесс профильного шлифования канавок инструмента, при котором канавки полностью или поэлементно образуются на цельной (не имеющей канавок) предварительно закаленной заготовке из быстрорежущей стали или окончательно спеченной заготовки из твердого сплава. Основными достоинствами процесса вышлифовывания являются высокая точность геометрических параметров и высокое качество рабочих поверхностей стружечных канавок, а также сокращение цикла изготовления инструмента. При этом исключается применение фрезерных станков.
Образование стружечных канавок методом вышлифовывания применяют при изготовлении сверл диаметром до 15 мм (рисунок 1.6). Для вышлифовывания канавок концевого инструмента диаметром до 40 мм и насадного инструмента диаметром до 150 мм создают специальное оборудование. Вышлифовывание стружечных канавок можно производить по двум схемам съема припуска: многопроходной и глубинной.
Наибольший эффект достигается при вышлифовывании канавок методом глубинного однопроходного шлифования. Глубинное шлифование по сравнению с многопроходным имеет преимущество прежде всего в повышении производительности операции вследствие возможности более интенсивного шлифования и в результате сокращения потерь времени на вспомогательные хода, перебеги, отводы и подводы круга и т. п., упрощается конструкция станка и облегчается его автоматизация, уменьшается число термоциклов (нагрев − охлаждение), что повышает усталостную прочность материала. При глубинном шлифовании значительно повышается износостойкость шлифовального круга.
Значительное влияние на качество поверхности канавок и производительность процесса оказывает характеристика шлифовальных кругов. Условия резания при вышлифовывании канавок соответствуют условиям чистового шлифования, в связи с чем рекомендуется применять мелкозернистые круги.
Важное значение для однопроходного шлифования канавок имеет правильный выбор смазочно-охлаждающей жидкости. Имеются рекомендации по применению для этой цели (при шлифовании сверл из быстрорежущих сталей) осерненного маловязкого масла с компонентами против пенообразования при расходе СОЖ.
Для вышлифовывания стружечных канавок выпускают специальные отечественные станки: канавки сверл диаметром до 12 мм вышлифовывают на полуавтомате 3657. Для вышлифовывания стружечных канавок могут быть использованы модернизированные универсально-заточные станки, в которых увеличена мощность привода до 4 кВт и модернизирован привод продольной подачи.
Для вышлифовывания канавок и шлифования спинок инструмента применяют однооперационные однопозиционные, многооперационные однопозиционные и многооперационные многопозиционные станки. В многооперационных однопозиционных станках операции (обычно две) можно выполнять последовательно или параллельно.
а) б)
Рисунок. 1.6 – Вышлифовывание канавок: а – схема съема припуска методом глубинного шлифования; б – расположение сверла и шлифовального круга при обработке канавки.
При последовательном проведении операции канавочный и спиночные круги располагают чаще всего на одном шпинделе и в работу они вступают поочередно. При параллельном проведении операций шлифовальные круги располагают на разных шпинделях и шлифование канавки и спинки производится одновременно, однако при этом значительно увеличивается тепловыделение в зоне обработки и необходима более интенсивная подача СОЖ.
Многооперационные многопозиционные станки получают все большее распространение. Таковы автоматы ЗА682, ЗА683, Gefra (Голландия), Guring (Германия). На этих станках одновременно выполняют вышлифовывание канавки и спинки (на двухпозиционных), а также и затачивание (на трехоперационных). Обработку ведут способом скоростного шлифования 35−55 м/с с подачей СОЖ под большим давлением.
Для вышлифовывания канавок на концевом инструменте из твердого сплава выпускают полуавтоматы И-119 для изделий диаметром 0,25−3,0 мм и ВК-63 для изделий диаметром 1,5−6 мм. Стружечные канавки шлифуют алмазными кругами за один проход с глубиной обработки, равной глубине канавки. Алмазные круги правят абразивным кругом на специальном приспособлении или оборудовании. Полуавтомат ВК-63 работает в комплекте со специальным станком для фасонной правки алмазных кругов. Для уменьшения биения круг вместе со шпинделем переносят на станок для правки.
Использование метода глубинного шлифования имеет ограничения по размерам инструментов из-за потребной мощности привода и очевидного недостатка, связанного с низким коэффициентом использования материалов.
●Формирование винтовой канавки сверла фрезерованием
Фрезерование – наиболее универсальный способ получения винтовых канавок сверл. Его используют во всех типах производства (от единичного до массового) для диаметров сверл от 1 мм и выше. Характеризуется он тем, что профиль канавок образуется фасонными канавочными фрезами. Для получения утолщенной к хвостовику сердцевины заготовку устанавливают под углом к плоскости стола станка, определяемым величиной утолщения. Для повышения производительности фрезерования канавок применяют многоцентровые приспособления для одновременного фрезерования трех заготовок и более.
При фрезеровании используют делительные головки и делительные приспособления. В серийном производстве применяют многошпиндельные делительные головки. В условиях крупносерийного производства сверл диаметром 1−60 мм применяют типовые фрезерные автоматы (6791… 6794) и полуавтоматы (6787А… 6790). Для фрезерования канавок сверл на автоматах и полуавтоматах применяют фрезерование одной канавки и одной спинки, фрезерование двух канавок затем двух спинок, одновременное фрезерование двух канавок и двух спинок. Последний способ является наиболее производительным.
Канавки фрезеруют специальными фрезами с затылованным или остроконечным зубом. Профиль фрезы определяют аналитически, графически или графо-аналитически.
Угол установки оси фрезы ψ1 относительно оси сверла отличается от угла наклона ω винтовой канавки сверла. Обычно принимают ψ1 на 1−2° больше или меньше угла ω наклона винтовой канавки. Такой выбор обеспечивает лучшее качество обрабатываемой поверхности и исключает подрезание канавки.
а)
б)
Рисунок 1.7 Фрезерование сверл: а – схема установки фрезы;
б – установка фрезы при фрезеровании канавки.
Профиль фрезы определяют с учетом положения точки S перекрещивания осей, которую координируют по отношению к торцу фрезы (рисунок 1.7).
При фрезеровании канавок сверл на сверлильно-фрезерных полуавтоматах фрезу по отношению к оси заготовки устанавливают с помощью мерных плиток от базового торца фрезы. Установку можно производить с помощью приспособления (рисунок 1.8). Приспособление состоит из втулки 1, надеваемой на эталон-заготовку сверла. Фрезу устанавливают на оправке 4 и фиксируют на ней с помощью установочных шайб 3, насаженных на оправку 5. Совмещение оси оправки фрезы 4 с осью оправки 5 достигается с помощью центроискателя. После установки фрезы втулку 1 снимают и эталон 2 заменяют заготовкой.
Рисунок 1.8 – Схема установки фрезы с помощью
приспособления
При фрезеровании винтовых канавок профиль фрезы и ее положение относительно заготовки определяется в процессе профилирования. Фрезы, предназначенные для обработки винтовых канавок, теоретически должны иметь криволинейный профиль.
Для упрощения изготовления инструментов, в тех случаях, когда это позволяет точность винтовой поверхности, теоретический точный профиль инструмента с некоторым приближением заменяют отрезками прямых линий и дугами одной или нескольких окружностей (рисунок 1.9).
●Проблемы при фрезеровании стружечных канавок
На основании вышеизложенного материала можно выделить следующие проблемы, которые возникают при фрезеровании стружечных канавок [2,4]:
а) высокая стоимость инструментального материала;
б) сложная геометрическая форма режущего клина, которая затрудняет производительность процесса проектирования инструмента;
в) усложнение технологии изготовления фрез;
г) повышенное влияние физико-механических свойств инструментального материала на качество режущего инструмента, в том числе стойкость и производительность;