Состояние вопроса профилирования долбяков для обработки профильных моментопередающих соединений.

Вопросам профилирования режущих инструментов посвящено большое количество научных трудов, что говорит о важности и актуальности этой проблемы. Наиболее фундаментальными являются работы Борисова А.Н., Воробьева В.М., Грановского Г.И., Гречишникова В.А., Дихтяря Ф.С., Иноземцева Г.Г., Кирсанова Г.Н., Колчина Н.И., Лашнева С.И., Литвина Ф.Л., Люкшина В.А., Перепелицы Б.А., Петрухина С.С., Протасьева В.Б., Радзевича С.П., Родина П.Р., Романова В.Ф., Сахарова Г.Н., Семенченко И.И., Степанова Ю.С., Фрайфельда И.А., Цвиса Ю.В., Цепкова А.В., Шевелевой Г.И., Шевченко Н.А., Шишкова В.А., Щеголькова Н.Н., Этин А.О., Юликова М.И. и других авторов.

Способы профилирования долбяков для обработки колес с внутренними неэвольвентными зубьями прошли путь от неточных частных графических и графоаналитических методов для отдельных видов инструментов до аналитических методов и продолжают развиваться по пути открытия и формализации новых, ранее не известных и потому не учитываемых факторов, в рамках создаваемых комплексных, универсальных систем автоматизированного проектирования конструкции фасонных инструментов, технологии их изготовления и оптимизации условий эксплуатации на базе широких возможностей современных средств компьютерного моделирования процесса формообразования. [104]

Существует большое количество различных вариантов классификации методов профилирования инструмента, в основу которых положены различные положения.

Наиболее важными с точки зрения реализации метода на ЭВМ являются такие положения как уровень формального представления, характер описания математической модели профилирования, механизм и критерии определения огибающей, механизм управления процессом профилирования.

Все методы профилирования долбяков для нарезания неэвольвентных зубчатых колес с внутренними зубьями можно разбить на три большие группы [128]:

- графические;

- графоаналитические;

- аналитические.

Аналитические методы в свою очередь подразделяются:

- методы, основанные на нахождении огибающей семейства, образованного движением исходной поверхности относительно инструментальной;

- методы, основанные на свойстве общей нормали в точке касания сопряженных профилей, а использующие то, что нормаль пересекает ось дискового инструмента;

- кинематические методы;

- итерационные методы;

- методы, основанные на нахождении общих касательных к инструментальной и исходной поверхностям в точках их касания;

- методы, основанные на построении пространственных кривых;

- методы, основанные на нахождении минимальных расстояний;

- численные методы.

Графические методы, построенные на использовании принципов и приемов начертательной геометрии, обеспечивали визуальный контроль над процессом проектирования, что снижало вероятность грубых ошибок; а при использовании большого масштаба построений они давали приемлемую точность, достаточную при обработке неответственных деталей [128].

Но от исполнителя требовалась достаточно высокая квалификация, т.к. проектирование было связано с ручным вычерчиванием весьма трудоемких и сложных построений.

Графоаналитические методы, сохраняя присущую графическим методам возможность визуального контроля за построениями, позволили повысить точность и сократить трудоемкость за счет замены вычислениями отдельных этапов ручного вычерчивания линий построений.

Графические и графоаналитические методы в настоящее время практически не применяются. Однако они заслуживают внимания, так как современные графические станции и программные средства позволяют визуализировать в графические построения все этапы аналитического расчета.

Аналитические методы профилирования являются наиболее точными и общими, основываются на строгих математических моделях режущего инструмента, формируемой поверхности и характера их взаимных движений. Возможности этих моделей определены свойствами объектов, участвующих в профилировании, количеством связей, характером математической модели, заложенными ограничениями.

Аналитические методы профилирования инструмента основаны на положениях общей теории сопряженных поверхностей, дифференциальной геометрии.

В них используются дифференциальные, векторные методы исчислений и другие разделы высшей математики.

Среди многообразия аналитических методов профилирования инструментов можно выделить:

1. Методы, основанные на нахождении огибающей семейства, образованного движением исходной поверхности относительно инструментальной.

Общей фундаментальной основой большинства существующих методов проектирования фасонных инструментов являются основные положения и аналитические зависимости классической теории огибающей семейства поверхностей, разработанные при создании теории зубчатых зацеплений Т.Оливье, Х.И. Гохманом, Менье и др. и получившей развитие применительно к решению задач инструментального производства в работе [117]. Положения классической теории огибающей семейства поверхностей позволяют при творческой доработке метода применительно к конкретному случаю обработки вывести аналитическое выражение профиля режущей части инструмента. Ввиду сложности и трудоемкости получения результирующих аналитических зависимостей этот метод к настоящему времени получил широкое применение в основном для профилирования обкаточных инструментов [46, 115].

2. Методы, основанные на свойстве общей нормали в точке касания сопряженных профилей и использующие то, что нормаль пересекает ось инструмента. Графический вариант был разработан в 1911 году Штюблером. Аналитический вариант метода представлен в работах Колчина Н.И., Литвина Ф.Л. и др.

3. Кинематические методы профилирования, изложенные в работах, обеспечивают так же, как и вышеизложенные, получение профиля дискового инструмента в виде ряда дискретных точек.

4. Итерационный метод, предложенный в работе [1], является дальнейшим развитием метода общих нормалей и состоит в том, что нормаль, восстановленная к исходной поверхности в любой точке ее пространственной линии контакта с инструментальной поверхностью инструмента, пересекает ось этого инструмента, становясь общей нормалью двух сопряженных поверхностей. При этом если во всех точках заданной поверхности восстановить нормали, то задача профилирования сводится к выбору из полученного множества нормалей тех, которые проходят через ось инструмента. Точки на исходной поверхности, через которые будут проходить эти нормали и будут являться искомыми точками, принадлежащими к пространственной линии контакта.

5. Методы, основанные на нахождении общих касательных к инструментальной и исходной поверхностям в точках их касания. Аналитический вариант, в приложении к широкой гамме фасонных инструментов, разработан С.И. Лашневым и развит в работах [1,22,35].

6. Метод минимальных расстояний, предложенный Н.В.Колесовым и М.И. Юликовым, заключается в том, что точка, принадлежащая профилю дискового инструмента, определяется как кратчайшее расстояние от оси инструмента до поверхности детали, расположенной в сечении детали плоскостью, перпендикулярной оси фрезы. Ограничения на применение этого метода связаны с тем, что точность определения профиля инструмента с его помощью зависит от количества точек, заданных на профиле исходной поверхности. Дальнейшее развитие метода в работе было направлено на устранение указанного недостатка.

7. Численные методы, основанные на представлении исходной поверхности относительно инструментальной в виде совокупности отдельных точек или линий с последующим определением тех из них, координаты которых принадлежат к инструментальной поверхности. К категории численных можно отнести большое количество методов определения профиля как инструментальной поверхности (прямая задача профилирования), так и поверхности изделия (обратная задача профилирования), построенных на известных схемах графических и графоаналитических методов (Гречишникова В.А. [22] и Воробьева В.М. и др.). Общей их особенностью является отказ от использования свойств сопряженных поверхностей (общей касательной и нормали) и построение искомого профиля в виде контура, образованного ломаной или криволинейной линией, расположенной по границе массива точек, или линий, сформированных в результате реализации принятой схемы профилирования.

Выбор метода профилирования зависит от требуемой точности по профилю, типа инструмента, его размеров и геометрии, характера обрабатываемого профиля и др.

Общим ограничением для всех методов профилирования, в том числе и аналитических, является допущение о касании исходной и инструментальной поверхностей. При этом считается, что инструментальная и производящие поверхности совпадают. Если это и справедливо только для т.н. идеального случая, при котором инструментальная поверхность не меняет при обработке своего положения относительно исходной поверхности [104].

В действительности, для общего случая формообразования фасонной поверхности лезвийным инструментом, вращающимся с рабочей скоростью и перемещающейся с рабочей подачей относительно детали с фасонной поверхностью, имеющей произвольные (в общем случае - переменные) направляющую и образующую; касание будет иметь место между исходной поверхностью и поверхностью резания, в то время как инструментальная поверхность может и не касаться исходной поверхности. В таком случае, производящей будет являться поверхность резания [104].

Специфика проектирования режущих инструментов, предназначенных для обработки фасонных и в том числе внутренних зубчатых поверхностей, обуславливает необходимость учета и вскрытия многочисленных связей между параметрами конструкции, требованиями к их эксплуатации и производству, рассмотрения большого числа конструктивных и технологических вариантов. Комплексное решение поставленных задач возможно только на базе широкого применения вычислительной техники и создания систем автоматизированного проектирования режущих инструментов (САПР РИ) [104].

В настоящее время известны разработки в области создания элементов САПР[35, 101, 103]. В работах М.И. Юликова [125], Гречишникова В.А. сформулированы основы автоматизированного проектирования металлорежущих инструментов, определены главные направления развития и совершенствования. В частности, указывается на необходимость системного подхода при определении состава и структуры САПР РИ. Это диктует необходимость рассматривать САПР РИ не только как систему проектирования, основанную на применении современных математических методов и средств вычислительной техники, но и как систему, рассматривающую инструмент в совокупности внутренних и внешних факторов, без выявления и формализации которых созданная система проектирования не может считаться полноценной [104].

Современные компьютеры имеют большие возможности для автоматизации процессов проектирования, однако эффективность их зависит от метода проектирования, положенного в основу программы. Это обстоятельство указывает на необходимость дальнейшего совершенствования аналитических методов проектирования инструментов, которые должны отличаться большой универсальностью и общностью, необходимо, чтобы они комплексно и во взаимосвязи учитывали широкий круг факторов, влияющих на процесс проектирования, конструкцию и эксплуатационные показатели инструмента. Кроме того, использование в САПР совершенных методов проектирования позволяет, в конечном итоге, не только получать конкретные эффективные решения, но и, что особенно важно, использовать разработанные системы для проведения научных исследований и выявления новых связей и их формализации [104].

Таким образом, разработка САПР РИ вызывает необходимость в систематизации и анализе существующих методов проектирования фасонных инструментов и в том числе и для обработки внутренних зубчатых поверхностей неэвольвентного профиля.

Анализ структуры рассмотренных аналитических методов проектирования позволяет выделить в них два основных этапа при их создании разработчиком [104].

Первый — аналитическое представление уравнения исходной поверхности в виде совокупности нормалей или точек на ее поверхности в системе координат, связанной с производящей поверхностью инструмента, в частности, с его осью.

Второй - определение из полученной совокупности нормалей или точек тех, которые принадлежат к профилю инструмента.

Несмотря на общую структуру методов профилирования фасонных инструментов, каждый из них реализуется с помощью аналитических зависимостей различного вида, что вызывает необходимость использования большого количества программ, как для проектирования инструментов различного вида, так и для инструментов, предназначенных для обработки различных поверхностей [104].

В то же время особенно актуальным при современных темпах развития науки и техники является вопрос автоматизации интеллектуальной деятельности проектировщиков, что связано с созданием систем автоматизированного проектирования, основанных на общих методологических принципах построения методов проектирования, использование которых позволит включить в круг задач системы автоматизированного проектирования, в частности, синтез методики профилирования, обеспечивающей не только определение профиля инструмента, но и проектирование режущей части на базе определения размеров срезаемого слоя [104].

В последнее время усиливается тенденция к использованию изделий, содержащих сложные фасонные поверхности, обработка которых производится на станках с ЧПУ, вследствие чего появилась острая необходимость в создании новых методов профилирования режущего инструмента, обеспечивающих полную автоматизацию проектирования [15].

В целом вопрос проектирования и профилирования долбяков для обработки зубчатых колес с внутренними неэвольвентными зубьями недостаточно проработан, отсутствует универсальная методика профилирования инструмента.