Способ фрезерования внутренних радиусных сопряжений поверхностей деталей

Изобретение относится к области технологических процессов обработки металлов резанием, в частности, к фрезерованию деталей с переменным припуском на обработку поверхностей на фрезерных станках с программным управлением.

Известен способ фрезерования внутренних контуров с угловыми переходами с изменением рабочей подачи на станках с программным управлением, при котором рабочую подачу при подходе к угловым переходам производят импульсами с заданной величиной перемещения и временем остановки. (Авт.св. №307853. Способ фрезерования внутренних контуров с угловыми переходами. - М. Кл.: В23с 3/00. - 01.VII.1971).

Известен способ обработки радиусных сопряжений прямолинейных участков при внутреннем контурном фрезеровании концевой фрезой, при котором обработку ведут фрезой с радиусом, меньшим радиуса сопряжения, и ее центр перемещают по радиусу, равному разности радиусов сопряжения и фрезы. (Авт.св. №357044. Способ обработки радиусных сопряжений прямолинейных участков при внутреннем контурном фрезеровании. - М. Кл.: В23с 3/00. - 31.X.1972).

Известен способ обработки внутренних радиусных сопряжений прямолинейных участков фрезерованием с использованием двух и более последовательных проходов, при котором радиусные сопряжения обрабатывают окончательно в заданные по чертежам размеры на предварительном проходе попутным фрезерованием. (Авт.св. №424672. Способ обработки внутренних радиусных сопряжений прямолинейных участков. - М. Кл.: В23с 3/00. - 25.04.1974).

Известен способ обработки радиусных сопряжений прямолинейных участков при внутреннем контурном фрезеровании концевой фрезой, при котором обработку ведут фрезой с радиусом, равным радиусу сопряжения, и сообщают ей осевое перемещение. (Авт.св. №465283. Способ обработки радиусных сопряжений. - М. Кл.: В23с 3/00. - 30.03.1975).

Известен способ обработки внутренних радиусных сопряжений прямолинейных участков при внутреннем контурном фрезеровании концевой фрезой, при котором фрезе сначала сообщают перемещение по биссектрисе угла, образованного сопрягаемыми участками контура, до получения заданного припуска в месте радиусного сопряжения, а затем - по эквидистанте к контуру. (Авт.св. №545423. Способ обработки внутренних радиусных сопряжений прямолинейных участков. - М. Кл².: В 23С 3/00. - 05.02.1977).

Известен способ обработки внутренних контуров с переменным припуском в местах радиусных сопряжений, при котором обработку ведут, по крайней мере, в два прохода, обрабатывая сначала радиусное сопряжение, последнее обрабатывают до образования постоянного припуска по всему контуру, после чего окончательно обрабатывают весь контур в заданные по чертежу размеры. (Авт.св. №548384. Способ обработки внутренних контуров. - М. Кл².: В23С 3/00. - 28.02.1977).

Известен способ обработки радиусных сопряжений при контурном фрезеровании концевой фрезой с радиусом, меньшим радиуса сопряжения, которой сообщают перемещение по эквидистанте к обрабатываемому контуру, для чего припуск для окончательного прохода оставляют равным диаметру фрезы. (Авт.св. №625846. Способ обработки радиусных сопряжений. - М. Кл².: В23С 3/00. - 30.09.1978).

Известен способ обработки радиусных сопряжений фрезой двумя и более последовательными проходами с получением на предварительных проходах переменного припуска на окончательную обработку, при котором на предварительных проходах фрезу перемещают по участкам, эквидистантным соответствующим участкам обрабатывемого контура, смещенным относительно контура в направлении обхода последнего, причем величина припуска на окончательной обработке обратно пропорциональна кривизне участков контура в случае внутреннего фрезерования и прямо пропорциональна на кривизне участков в случае наружного фрезерования. (Авт.св. №733876. Способ обработки радиусных сопряжений. - М. Кл².: В23С 3/00. - 15.05.1980).

Известен способ фрезерования плоскостей, ограниченных двумя и более сторонами контурной поверхности, сопряженными между собой несколькими последовательными проходами, на которых фрезе, например, концевой сообщают движение по эквидистанте к сторонам контура, и дополнительные перемещения в местах внутренних радиусных сопряжений по прямым, соединяющим точки пересечения траекторий центра фрезы на разных проходах во время первого прохода. (Авт.св. №738785. Способ фрезерования плоскостей. - М. Кл².: В23С 3/00. - 05.06.1980).

Известен способ обработки внутренних радиусных сопряжений с переменным припуском, по которому центр вращающегося инструмента перемещают в зоне сопряжения по круговой траектории, радиус которой равен разности радиусов обрабатываемого сопряжения и инструмента, а начальную точку обработки совмещают с точкой сопряжения радиусного участка с обработанным прямолинейным участком. Центр круговой траектории инструмента перемещают со скоростью подачи по биссектрисе угла, образуемого прямолинейными сопрягаемыми участками контура, при этом одновременно уменьшают радиус круговой траектории. (Авт.св. №859045. Способ обработки внутренних радиусных сопряжений. - М. Кл³.: В23С 3/00. - 30.08.1981).

Известен способ фрезерования внутренних контуров деталей с переменным припуском в местах радиусных сопряжений, при котором радиусные сопряжения фрезеруют, по крайней мере, за два прохода. Обработку радиусных сопряжений ведут при окончательном фрезеровании контура, причем при подходе к радиусному сопряжению фрезу отводят от контура и обрабатывают сопряжение с оставлением припуска, равного припуску основного контура, после чего обработку ведут в заданные по чертежу размеры. (Авт.св. №891254. Способ фрезерования внутренних контуров деталей. -М. Кл³: В23С 3/00. - 23.12.1981).

Известен способ обработки контурных поверхностей деталей, преимущественно из труднообрабатываемых материалов с переменным припуском в местах внутренних радиусных сопряжений сторон контура, например, концевой фрезой за несколько рабочих ходов, при котором сначала обрабатывают радиусное сопряжение, затем окончательно контур детали. При обработке радиусного сопряжения фрезе при каждом рабочем ходе сообщают перемещение по дугам окружностей, касательным к сторонам контура, с максимальной глубиной резания до получения равномерного припуска по радиусу сопряжения. При каждом рабочем ходе фрезу смещают по биссектрисе угла на расчетную величину. (Авт.св. №942907. Способ обработки контурных поверхностей деталей. - М. Кл³.: В23С 3/00. - 15.07.1982).

Известен способ фрезерования контурных поверхностей, при котором припуск в местах внутренних радиусных сопряжений удаляют, по крайней мере, за два рабочих хода при окончательном фрезеровании контурной поверхности, причем с увеличением глубины резания при подходе к радиусному сопряжению фрезу отводят от контура и обрабатывают сопряжение с заданным припуском, после чего фрезу подводят к контуру и ведут окончательное фрезерование. Фрезу подводят к контуру в точке, смещенной от точки начала отвода фрезы в направлении фрезерования на величину, пропорциональную величине отжима фрезы. (Авт.св. SU №1143523 А. Способ фрезерования контурных поверхностей. - МПК: В23С 3/00. - 07.03.1985).

Известен способ фрезерования поверхностей деталей произвольной формы, включающий перемещение инструмента по траектории с опорными точками, задаваемой сплайнами в связанной с обрабатываемой деталью системе координат.(Патент RU №2351442 С2. Способ и устройство для фрезерования поверхностей произвольной формы. МПК: В23С 3/18, G05B 19/41. - 10.04.2009).

Недостатком известных способов фрезерования деталей с внутренними радиусными сопряжениями поверхностей является возможность «зарезов» и «гребешков» на сопрягаемых поверхностях, вызываемых отталкиванием фрезы от обрабатываемых поверхностей под воздействием сил резания и диссипативными колебаниями системы СПИД при угловой смене направления перемещения фрезы.

Известен линейный интерполятор, в который введен блок вычисления величины участка торможения, подключенный выходом ко входу блока задания скорости, позволяющий по кодам начальной и конечной скоростям и по ускорению вычислять величину участка торможения и кодировать управляющую информацию с различными ускорениями по координатам для станков с программным управлением. (Авт.св. №453670. Линейный интерполятор. - М. Кл.: G05b 19/18. - 15.12.1974).

Известен линейно-круговой интерполятор с наличием линий сигналов «Разрешение отработки торможения», «Разрешение записи кода скорости», «Запуск счетчика пути разгона», которые позволяют использовать функциональные возможности интерполятора в системах контурного программного управления перемещениями исполнительных органов станков и технологического оборудования. (Патент RU №2010293 С1. Линейно-круговой интерполятор. - МПК: G05B 19/18. - 30.03.1994).

Известно устройство для автоматического разгона и торможения, содержащее блок управления разгоном-торможением исполнительных механизмов в системе координат технологического оборудования, определяющий зависимость частоты выходных импульсов устройства от времени на участках равномерного перемещения торможения и разгона до заданного значения рабочей подачи. (SU №1817583 А1. Устройство для автоматического разгона и торможения. - МПК: G05B 19/18. - 27.10.1995).

Основной задачей, на решение которой направлено заявляемое изобретение, является повышение качества фрезерования деталей и производительности станков с ЧПУ.

Техническим результатом является повышение качества фрезерования деталей и производительности станков с ЧПУ.

Указанный технический результат достигается тем, что в известном способе фрезерования внутренних радиусных сопряжений поверхностей деталей с переменным по толщине припуском за один проход концевой фрезой с постоянной частотой вращения и упругим отжимом фрезы от обрабатываемых поверхностей, вызываемым усилием ее отталкивания под действием сил резания припуска на станках с программным управлением путем перемещения центра вращения фрезы по одной, задаваемой опорными точками, эквидистанте к обрабатываемой поверхности с обкаткой внутреннего сопряжения по дуге окружности, в связанной с обрабатываемой деталью системе координат, согласно предложенному техническому решению,

фрезерование ведут с постоянной величиной упругого отжима концевой фрезы от обрабатываемых поверхностей, вызываемого допустимым усилием отталкивания фрезы, равным усилию отталкивания фрезы от прямолинейной поверхности при фрезеровании ее с постоянной глубиной резания и рабочей подачей, путем последовательного уменьшения подачи на зуб фрезы по мере увеличения глубины резания переменного припуска на участке врезания в радиусное сопряжение, последнее обкатывают с рабочей подачей, равной рабочей подачи в конце участка врезания, и на участке выхода фрезы из радиусного сопряжения - путем последовательного увеличения подачи на зуб фрезы по мере уменьшения глубины резания переменного припуска;

фрезерование детали ведут фрезой с радиусом, равным радиусу внутреннего сопряжения обрабатываемых поверхностей, а обкатку внутреннего радиусного сопряжения ведут по дуге окружности с радиусом, исключающим диссипативные колебания системы «станок-приспособление-инструмент-деталь», возбуждаемые сменой направления движения фрезы;

участки траектории врезания и выхода фрезы при фрезеровании внутреннего радиусного сопряжения поверхностей детали аппроксимируют сплайнами системы автоматизированного программирования станков в связанной с обрабатываемой деталью системе координат рядом последовательных дискретных интервалов с длинами, изменяющимися по мере врезания в радиусное сопряжение по убывающей геометрической прогрессии, а на выходе фрезы из радиусного сопряжения - по возрастающей геометрической прогрессии, с промежуточной рабочей подачей фрезы на длине каждого интервала, вызывающей при фрезеровании с переменной глубиной резания постоянную величину упругого отжима концевой фрезы от обрабатываемой поверхности;

промежуточную рабочую подачу фрезы в границах каждого дискретного интервала участка врезания в радиусное сопряжение поверхностей детали задают сплайном интерполяции частоты импульсов подачи в станочной системе координат с торможением, а на интервалах участка выхода фрезы, - соответственно, с разгоном, до рабочей подачи фрезы на следующем интервале участков траектории врезания и выхода фрезы по мере изменения глубины резания переменного припуска;

усилие отталкивания концевой фрезы определяют на границах дискретных интервалов вычислением ортогональной проекции вектора силы реактивного момента на нормаль к обрабатываемой поверхности, противодействующей тангенциальной равнодействующей пульсирующих сил резания зубьями фрезы, приведенной к центру тяжести плоскости профиля сечения срезаемой стружки с плечом под углом к нормали.

Приведенный заявителем анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностями признаков, тождественными всем признакам заявленного способа фрезерования внутренних радиусных сопряжений поверхностей деталей, отсутствуют. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности «новизна».

Результаты поиска известных решений в данной области техники с целью выявления признаков, совпадающих с отличительными от прототипа признаками заявляемого технического решения, показали, что они не следуют явным образом из уровня техники. Из определенного заявителем уровня техники не выявлена известность влияния предусматриваемых существенными признаками заявляемого технического решения преобразований на достижение указанного технического результата. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности «изобретательский уровень».

Заявленное техническое решение может успешно использовано в системах автоматизированного программирования фрезерных операций для фрезерных станков с ЧПУ. Следовательно, заявляемое техническое решение соответствует условию патентоспособности «промышленная применимость».

На Фиг. 1 показана схема фрезерования внутренних радиусных сопряжений поверхностей деталей с переменным по толщине припуском; на Фиг. 2 - график зависимости рабочей подачи фрезы от глубины резания переменного припуска на участках равномерного перемещения, торможения при врезании, обкатки внутреннего радиусного сопряжения обрабатываемых поверхностей и разгона при выходе из него; на Фиг. 3 - схема действия тангенциальной равнодействующей сил резания на отталкивание фрезы от обрабатываемой поверхности.

Сущность предложенного способа фрезерования внутренних радиусных сопряжений поверхностей деталей заключается в том, что фрезерование поверхностей деталей с переменной толщиной припуска по радиусу r_пр ведут концевой фрезой с радиусом R_ф, равным радиусу R_д внутреннего сопряжения поверхностей детали, R_ф≤R_д, на станках с числовым программным управлением (ЧПУ) за один проход с переменной рабочей подачей S_p путем перемещения центра вращения фрезы по эквидистанте к обрабатываемой поверхности, заданной опорными точками 0-1-2-3-4-5, в связанной с обрабатываемой деталью системе координат, с обкаткой внутреннего радиусного сопряжения R_д детали путем перемещения центра фрезы по дуге окружности с радиусом r_о, заданной опорными точками траектории 2-3, исключающей диссипативные колебания системы «станок-приспособление-инструмент-деталь» (СПИД), возбуждаемые сменой направления движения фрезы. Фрезерование переменного по толщине припуска ведут с постоянной величиной упругого отжима концевой фрезы от обрабатываемых поверхностей, вызываемого допустимым усилием отталкивания [Р_у] концевой фрезы, равным усилию отталкивания Р_у фрезы от прямолинейных поверхностей на участках траектории, заданных опорными точками 0-1 и 4-5, фрезеруемых с постоянной глубиной резания t и определенной рабочей подачей S_p. (Фиг. 1). Допустимое усилие отталкивания [Р_у] фрезы от обрабатываемых поверхностей достигается за счет уменьшения рабочей подачи S_p фрезы по мере увеличения глубины резания с момента увеличения толщины переменного припуска в точке а, путем уменьшения подачи на зуб S_z фрезы на участке траектории врезания в радиусное сопряжение R_д, заданном опорными точками 1-2, и увеличения рабочей подачи S_i фрезы до рабочей подачи S_p для фрезерования сопрягаемой поверхности с постоянной глубиной резания t на участке траектории выхода фрезы из радиусного сопряжения R_д, заданном опорными точками 3-4, по мере уменьшения глубины резания переменного припуска до точки b путем увеличения рабочей подачи на зуб S_z фрезы. Для этого участки траектории врезания и выхода фрезы при фрезеровании внутренних радиусных сопряжений R_д, заданными опорными точками траектории 1-2 и 3-4, аппроксимируют рядом последовательных дискретных интервалов i и j, соответственно, сплайнами системы автоматизированного программирования для станков с программным управлением (САПС) в связанной с обрабатываемой деталью системе координат. Участок траектории врезания фрезы в радиусное сопряжение R_д поверхностей детали, заданный опорными точками 1-2, аппроксимируют интервалами фрезерования с длиной , изменяющейся по мере врезания в радиусное сопряжение R_д по убывающей геометрической прогрессии, с торможением рабочей подачи S_p на каждом интервале i до промежуточной рабочей подачи S_i фрезы, равной рабочей подачи S_i в начале следующего интервала i участка врезания, определяемой по формуле: S_i=S_p-ΔS_p⋅z. Участок траектории выхода фрезы из радиусного сопряжения R_д поверхностей, заданный опорными точками 3-4, аппроксимируют интервалами j фрезерования с длиной , изменяющейся по возрастающей геометрической прогрессии с разгоном до рабочей подачи S_p фрезерования сопрягаемой прямолинейной поверхности, заданной опорными точками 4-5 траектории, определяемой по формуле: S_j=S_o+ΔS_p⋅j, вызывающие на длине каждого интервала i и j фрезерования припуска с переменной глубиной резания допустимое усилие отталкивания [Р_у] фрезы от обрабатываемой поверхности, адекватное фрезерованию прямолинейной поверхности с постоянной глубиной резания t. (Фиг. 2). Промежуточные рабочие подачи S_i и S_j в границах каждого интервала участка траектории врезания в радиусное сопряжение R_д поверхностей детали и выхода из него задают сплайном интерполяции частоты импульсов подачи в станочной системе координат из условия возможности изменения промежуточных рабочих подач S_i и S_j фрезы в границах каждого интервала и воспроизведения их системой ЧПУ станком. Усилие отталкивания Р_у фрезы для фрезерования переменного по толщине припуска определяют в границах дискретных интервалов ортогональной проекцией вектора силы R_p реактивного момента на нормаль, проходящую через центр вращения фрезы к обрабатываемой прямолинейной поверхности, противодействующей тангенциальной равнодействующей пульсирующих сил резания P_z, вызываемых зубьями фрезы с частотой ƒ=n⋅z, приведенной с плечом под углом α к центру С(х_с,у_с) тяжести плоскости профиля сечения срезаемой стружки, определяемой по формуле: Р_у=R_p⋅Sinα. (Фиг. 3).

Пример осуществления предложенного способа фрезерования внутренних радиусных сопряжений поверхностей деталей.

Фрезерование детали из материала марки Д16Т с внутренним радиусным сопряжением R_д=8 мм поверхностей и переменным по толщине припуском на обработку вели на фрезерном станке мод. ФП-7 с системой ЧПУ от линейно-кругового интерполятора мод. ЛКИ-Ф, выполняющего функции торможения до рабочей подачи, задаваемой программой управления фрезерованием, и автоматического разгона до заданной рабочей подачи. Фрезерование детали вели концевой фрезой с радиусом R_ф=8 мм и числом зубьев Z=4 за один проход перемещением центра фрезы с частотой вращения n=850 об/мин по опорным точкам 1-2-3-4-5-6 эквидистанты к обрабатываемой поверхности с обкаткой внутреннего радиусного сопряжения R_д по дуге окружности с радиусом r_о=1 мм. Фрезерование переменного припуска вели с постоянной величиной упругого отжима концевой фрезы от обрабатываемых поверхностей, вызываемого усилием отталкивания Р_у фрезы, созданным тангенциальной равнодействующей сил резания P_z, равным допустимому усилию [Р_у] отталкивания фрезы от прямолинейной поверхности при фрезеровании с постоянной глубиной резания t=1 мм. Постоянную величину упругого отжима концевой фрезы от обрабатываемых поверхностей получали путем последовательного уменьшения рабочей подачи S_p=200 мм/мин в опорной точке 1 до конечной рабочей подачи S_к=100 мм/мин в конце участка врезания, заданной точкой 2 траектории, путем уменьшения подачи S_z на зуб фрезы от 0,06 до 0,02 мм/зуб, по мере увеличения глубины резания с момента увеличения толщины переменного по толщине припуска по радиусу r_пр от точки а до дуги обкатки внутреннего радиусного сопряжения, с последующим фрезерованием внутреннего радиусного сопряжения R_д=8 мм обкаткой по дуге окружности с радиусом r_о=1 мм с рабочей подачей S_к=100 мм/мин в конце участка 1-2 траектории врезания, исключающим диссипативные колебания системы СПИД, возбуждаемые сменой направления движения фрезы на участке траектории заданной опорными точками 2-3. На участке траектории 3-4 выхода из радиусного сопряжения R_д промежуточную рабочую подачу S_j фрезы увеличивали по мере уменьшения глубины резания переменного припуска до точки b от промежуточной подачи S_к=100 мм/мин до рабочей подачи S_p=200 мм/мин, равной при фрезеровании сопрягаемой поверхности с постоянной глубиной резания t=1 мм. Для этого участки траектории врезания 1-2 длиной L_i=12,5 мм и выхода 3-4 фрезы длиной Lj=4,5 мм разбивали на ряд дискретных интервалов, для каждого из которых задавали промежуточную рабочую подачу S_p, вызывающую равнодействующей приведенных пульсирующих сил резания Р_z зубьями фрезы, приведенной с плечом под углом α к центру тяжести С(х_с,у_с) плоскости профиля сечения срезаемой стружки, допустимое усилие отталкивания [Р_у] фрезы от обрабатываемой поверхности. Участок траектории 1-2 врезания фрезы в радиусное сопряжение R_д поверхностей детали разбивали по убывающей геометрической прогрессии на четыре дискретных интервала i с длинами: первый - длиной мм с рабочей подачей S₁=200 мм/мин с заданным торможением до промежуточной подачи S₂=175 мм/мин, второй - длиной мм с промежуточной подачей S₂=175 мм/мин и заданным торможением до промежуточной подачи S₃=150 мм/мин, третий - длиной мм с промежуточной подачей S₃=150 мм/мин и заданным торможением до промежуточной подачи S₄=125 мм/мин и четвертый - длиной мм с промежуточной подачей S₄=125 мм/мин и заданным торможением до промежуточной подачи S_к=100 мм/мин. Участок траектории 3-4 выхода фрезы из радиусного сопряжения R_д поверхностей разбивали по возрастающей геометрической прогрессии на три дискретных интервала j с длинами: первый - длиной мм с автоматическим разгоном от подачи S_o=100 мм/мин до промежуточной подачи S₁=130 мм/мин, второй - длиной мм с автоматическим разгоном от промежуточной подачи S₁=130 мм/мин до промежуточной подачи S₂=165 мм/мин и третий - длиной мм с автоматическим разгоном от промежуточной подачи S₂=165 мм/мин до рабочей подачи S_p=200 мм/мин, с последней вели фрезерование сопрягаемой поверхности по траектории, заданной опорными точками 4-5.

Предлагаемое изобретение позволяет уменьшить влияние системы СПИД при фрезеровании переменного припуска на обрабатываемых поверхностях деталей концевыми фрезами одним проходом, тем самым повысить качество фрезерования деталей.