Оптимизация шага, размеров, формы зубьев и стружечных канавок

Оптимизация шага, размеров, формы зубьев и стружечных канавок Шаг, размеры, форма зубьев и стружечных канавок многолезвийных инструментов не только взаимосвязаны, но и взаимозависимы.   От шага зубьев при всех прочих равных условиях зависит число одновременно режущих зубьев, суммарное сечение среза и, значит, производительность резания. Шаг зубьев, в свою очередь, определяется размерами зуба и стружечной канавки, а от формы и размеров зуба зависят форма и размеры стружечной канавки. Поэтому решение задач по выбору этих параметров целесообразно рассмотреть в диалектической связке с позиций комплексного критерия оптимально- сти — минимума приведенных затрат на операции использования инструмента, это значит — с позиций производительности и экономичности инструмента. Удельная энергоемкость процесса резания от этих параметров не зависит.

На первый взгляд кажется, что с уменьшением шага увеличивается число одновременно режущих зубьев и повышается производительность резания. Это справедливо, но при условии сохранения толщины среза каждым зубом. Последняя при меньшем шаге тоже должна быть меньше, так как уменьшается объем стружечной канавки и меньший объем стружки может в ней разместиться. На производительность обработки шаг влияет не сам по себе, а через суммарное сечение среза ∑F.

Проектирование рабочей части

С округлением в пользу расчета  

Проектирование рабочей части

Наименьший размер активной зоны канавки h определяем по формуле

Проектирование рабочей части
  Поскольку нас интересует взаимосвязь между а и ∑b, которые являются переменными при решении поставленной задачи, все постоянные величины здесь и далее будем объединять одной константой С.   Проектирование рабочей части

Условно приняв постоянным, не зависящим от а, значение к, получим:

Проектирование рабочей части

Проектирование рабочей части

Анализируя уравнения (2.19)—(2.22), убеждаемся в том, что с увеличением толщины среза увеличивается шаг зубьев Р, уменьшает- ся число одновременно режущих зубьев п и суммарная ширина среза ∑b, но суммарное сечение среза ∑F растет. Например, с увеличением толщины среза а в четыре раза шаг зубьев увеличивается только в два раза, во столько же раз уменьшается число одновременно режущих зубьев и суммарная ширина среза, но суммарное сечение среза увеличивается при этом в два раза.   Проектирование рабочей части   Для чистовых инструментов, работающих в зоне температур резания ниже оптимальных, с увеличением толщины среза нет необходимости уменьшать скорость резания. Поэтому увеличение толщины среза несомненно приводит к заметному повышению производительности. Для инструментов, работающих со скоростями выше оптимальных по стойкости, с увеличением толщины среза скорость резания необходимо уменьшать для обеспечения прежней стойкости инструмента. Однако это уменьшение, как известно из теории резания, намного меньшее, чем увеличение толщины среза. Например, с увеличением толщины среза в четыре раза (от 0,1 до 0,4 мм) при фрезеровании быстрорежущими цилиндрическими фрезами скорость резания необходимо снизить в 1,7 раза. Вычисленная по формуле (2 23) производительность резания увеличивается при этом на 20 %. Более точные расчеты без принятых ранее допущений могли бы выявить большее повышение производительности.

Учитывая приоритетное влияние толщины среза на производительность резания, можно предложить следующий методический план оптимизации параметров зуба, стружечной канавки и шага зубьев цельных и составных многолезвийных инструментов (фрез, протяжек).

а)   выбор максимально допустимой толщины среза на зуб с учетом ограничений по жесткости технологической системы, точности обработки, шероховатости обработанной поверхности и другим параметрам;

б)   расчет минимально допустимых размеров канавки по условиям свободного размещения стружки;

в)   расчет минимально допустимой но прочности или жесткости толщины зуба;

г)    расчет минимального значения шага по размерам стружечной канавки и зуба инструмента.

Спроектированный таким образом инструмент не допускает переточек, является инструментом разового пользования. Естественно, его нельзя назвать оптимальным, особенно если стоимость инструмента высокая. Необходимо увеличить размеры зуба, высоту или толщину, на величину стачивания в зависимости от того, по каким поверхностям выполняют переточки, задавшись числом допускаемых переточек.

Определить оптимальное число переточек достаточно сложно- Приходится принимать компромиссное решение между производительностью инструмента и его экономичностью. С увеличением числа переточек растет срок службы инструмента, затраты на инструмент, отнесенные к одной обработанной детали, уменьшаются. Но при этом увеличивается толщина зуба, даже в случае переточек по задней поверхности, по условию прочности на изгиб с увеличением высоты зуба неизбежно увеличивается его толщина. Растет шаг зубьев, что приводит к снижению производительности. Поскольку наука о проектировании инструментов пока не располагает уравнениями для оптимизации числа переточек, можно предложить только численный метод решения этой задачи.

Задаемся поочередно все большим числом переточек, те. периодов стойкости. В справочной литературе выбираем величину стачивания за одну переточку. Для принятого числа переточек вычисляем высоту и толщину зуба, прибавив к их минимальным значениям (вычислены ранее) величину стачивания. Если переточки выполняют по задней поверхности, например фрезы общего назначения, толщину зуба определяют из условия прочности при увеличенной на переточки высоте зуба. Далее определяем шаг зубьев и производительность инструмента в виде времени, затраченного на обработку одной детали, заработную плату оператора за это время и другие расходы, связанные с выполнением операции, которые приближенно можно учесть в виде накладных расходов на заработную плату. Вычисляем затраты на инструмент, отнесенные к одной обработанной детали стоимость инструмента с учетом его переточек и реализации окончательно отработанных отходов, поделенная на количество деталей, обработанных за полный срок службы инструмента. По выполненным расчетам строим график в координатах, принятый шаг зубьев — приведенные затраты на обработку одной детали. По графику находим оптимальный шаг зубьев, при котором приведенные затраты минимальные. Параметры зуба и число переточек, соответствующие этому шагу, также оптимальны.

При конструировании сборных инструментов стремятся к минимально возможному шагу, который почти никогда не получается меньше оптимального из-за необходимости размещения элементов крепления режущих пластин или ножей. Режущие и опорные элементы, а также элементы крепления необходимо рассчитывать и принимать минимально достаточными но прочности, чтобы приблизиться к оптимальному значению шага зубьев.

Ограничения оптимального по приведенным затратам шага зубьев могут быть и по другим причинам. Так, при работе на маломощных станках уменьшают силы резания изменением схемы резания или уменьшением числа одновременно режущих зубьев за счет увеличения их шага.

Изложенная методика оптимизации шага зубьев экономически оправдана для инструментов, применяемых в массовом производстве. Однако подобный подход не исключает возможности использования его при конструировании инструментов универсального назначения, т.е. стандартных, по тщательно разработанному техническому заданию для средних условий работ.

Форма и размеры зуба и стружечной канавки инструмента задаются в сечении, нормальном к направлению основания зуба. У инструментов с постоянной по длине глубиной стружечной канавки это сечение нормально к режущей кромке. С позиций функционального назначения и минимума приведенных затрат на операции использования инструмента размеры и форма зуба должны обеспечить:

а)   достаточную прочность и жесткость зуба при оптимальном числе переточек;

б)   выбранную геометрию (у и а),

в)   достаточное пространство для свободного размещения стружки в канавке и освобождения ее от стружки при выходе зуба из работы;

г)    отсутствие концентраторов напряжений;

д)   высокую технологичность, т.е. простоту изготовления и заточки. Формы зубьев для разных по назначению инструментов разные

(рис 2.40).

Остроконечные зубья (рис. 2.40, а—г) имеют инструменты общего назначения (фрезы, развертки, протяжки и др.). Перетачиваются они по задним поверхностям

Затылованные зубья (рис. 2 40, е) — у фасонных фрез, перетачиваются по передним поверхностям, что значительно упрощает переточку таких инструментов.

Остроконечный зуб формы д (рис. 2.40) используют для фасонных фрез, когда затылование не обеспечивает боковых задних углов достаточной величины. Перетачивают такие зубья по задним поверхностям в специальных приспособлениях.

Остроконечный параболический зуб а (рис. 2.40) — равнопрочный изгибу в любом сечении по высоте. Спинка его очерчена по параболе. Выгоден для тяжелых работ с большой толщиной среза. Однако из-за низкой технологичности (для фрезерования стружечных канавок требуется специальная фасонная фреза) используется редко Его заменяют более простым в изготовлении усиленным зубом, спи- ночная парабола которого заменена ломаной линией (рис. 2.40, б) .

Остроконечный трапециевидный зуб в (рис. 2.40) является наиболее технологичным. По прочности он уступает двум предыдущим. С таким зубом делают инструменты для чистовых работ с малой толщиной среза (фрезы, развертки, протяжки).

Проектирование рабочей части

Остроконечный зуб формы г (рис. 2.40) — это трапециевидный зуб с вогнутой спинкой. В изготовлении он сложнее своего аналога, просто трапециевидного, но обеспечивает лучшие условия для размещения стружки, особенно сливной. Используют для протяжек и разверток большого диаметра.

С целью повышения крутильной жесткости и прочности цельных и составных сверл и зенкеров их зубьям придают особую форму в поперечном сечении (рис. 2.40, ж). Похожую форму зуба и по тем же причинам имеют метчики и резьбонарезные плашки. Однако в сечении. нормальном к главной режущей кромке, зуб по сути остроконечный с плоской или затылованной задней поверхностью, по которой выполняют переточку.

Стружечная канавка — это межзубье пространство, образованное спиночной и передней поверхностями смежных зубьев. Формы канавок в поперечном сечении можно видеть на рис. 2.40. Свободное размещение стружки и недопущение ее защемления в канавке обеспечиваются требуемыми размерами стружечной канавки и предпочтительной формой ее донышка, очерченного дугой радиуса, равного половине диаметра h стружечного валика (см. рис. 2.39).

Подходы к определению оптимальных размеров зуба и стружечной канавки изложены ранее. Имеющиеся исключения вызваны своеобразием конструкции и условий работы некоторых инструментов. Так, у фасонных затылованных фрез, в том числе резьбообразующих и зуборезных, высота зуба (рис. 2.40, е)

Проектирование рабочей части Высотой профиля изделия определяется высота зуба зуборезных долбяков, а длина зуба — прочностью после стачивания, допустимого по условиям точности зубообработки. Расчеты этих параметров подробно изложены в справочной литературе по проектированию режущих инструментов [94; 124—127 и др.] (см. список литературы).   Особую удлиненную форму стружечной канавки (рис. 2.40, j) делают у инструментов, обрабатывающих прерывистые поверхности, например, у протяжек, когда образуются не один, а несколько стружечных валиков, которые должны свободно разместиться в канавке. Такая форма стружечной канавки используется и тогда, когда необходимо по каким-либо причинам уменьшить число одновременно режущих зубьев: недостаточная мощность станка, плохой доступ СОЖ в зону резания и др.

Исключение концентраторов напряжений при оформлении стружечной канавки обеспечивается плавной формой (без острых углов) перехода от одной поверхности к другой.

Контрольные вопросы

  1. Требования к размерам и форме зубьев, а также стружечных канавок режущих инструментов.
  2. Формы зубьев различных инструментов
  3. Методы определения прочности зубьев.
  4. Влияние числа зубьев на производительность режущих инструментов.
  5. Методика оптимизации шага зубьев цилиндрической фрезы но интегральному критерию оптимальности: минимуму приведенных затрат на операции использования фрезы.

Смотрите также

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *