Добавил:
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:

Radzevich, S.P. Monograph - 2001

.pdf
Скачиваний:
11
Добавлен:
23.02.2023
Размер:
24.47 Mб
Скачать

220

 

 

4. Геометрия касания поверхности детали и исходной инструментальной поверхности

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

R

 

 

 

 

1 tan 2

;

 

 

c

 

n

;

 

 

 

 

 

R

 

.

 

 

 

 

 

 

1.д

 

2.д

 

 

 

 

 

 

arctan

 

 

2.д

 

 

 

 

 

 

k

R

 

 

R

 

 

tan

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

 

R

 

tan

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.д

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.д

 

1.д

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Таким

образом

 

R

 

R

 

 

 

,

R

, ,

 

n

 

 

 

 

 

 

T

2.д

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

 

.

 

 

 

 

T

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.и

 

 

1.и

1.д

 

 

2.д

 

k

 

 

 

 

 

2.и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Первый главный радиус кривизны R1.и

поверхности И

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

T1.и

инструмента должен быть не только вещественным и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

положительным, но и больше k . Следовательно, кроме

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

обычных

условий

существования

 

вещественного

и

 

 

 

 

 

 

 

 

К

 

 

 

 

T

положительного корня, необходимо потребовать выпол-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.д

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

нение дополнительного условия, а именно, чтобы:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 c 2

4c2 cot 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1 c

0 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q

 

 

Sи

 

 

 

 

2(tan 2 c)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.4.4. Квадратичная индикатриса Дюпена.

Рас-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C

 

V, , w

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

смотрим случай линейного касания поверхности детали

Рис. 4.14. Квадратичные

индикатрисы

кривизны

и исходной инструментмльной поверхности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

сопряженных поверхностей

Д и И .

Поверхность

Д

может

 

быть

 

 

репараметризована

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

таким образом, что первые производные от rд

по новым

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Uд и Vд

параметрам имеют единичную длину, а новые параметрические Uд

 

и Vд линии совпадают с

линиями кривизны на

Д . Тогда в точке K справедливы соотношения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.67)

 

 

 

 

 

 

2rд N

д

k

 

 

,

2rд

N

д

0 ,

 

2rд

k

2.д

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

U

 

2

 

 

1.д

 

Uд Vд

 

 

 

 

V2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

д

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

д

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Обозначим через угол между некоторым направлением

 

rи

на поверхности И и первым главным

 

Uи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

направлением T1.д

и через

 

угол между направлением

 

 

 

 

(здесь w – параметр характеристики E

C w

поверхностей Д и И ) и тем же первым главным направлением T1.д

(рис. 4.14).

 

 

 

Исходя из того, что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2rи

n

 

L

;

 

 

 

2rи

n

и

M

и

;

 

 

 

2rи

n

 

N

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Uи Vи

 

 

V2

 

 

 

 

 

 

 

U 2

 

и

 

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и

 

и

 

 

 

 

 

 

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и

 

 

 

 

и принимая во внимание, что вдоль характеристики E выполняются соотношения

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Nд w Nи w N w C N w ,

 

Gд w Gи w G w C w C w ,

 

 

из (67) можно получить, что

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

rд

 

 

 

 

 

 

 

2

rд

 

 

 

 

2

rд

 

 

 

 

 

 

G k1.д cos 2

k2.д sin 2 ;

(4.68)

N G

 

cos2

 

2

 

 

cos sin

 

 

sin 2

 

 

 

 

Uд Vд

V2

 

 

 

U 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

д

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

д

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4.4. Второе приближение: соприкасающиеся квадрики, поверхность приведенной кривизны

221

Mд

 

 

2r

д

 

2r

д

cos sin sin cos

2r

д

 

 

 

 

 

 

 

EдGд

 

cos cos

 

 

sin sin

n д ;

 

U

2

Uд Vд

V

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

д

 

 

 

 

д

 

 

 

(4.69)

EдGд k1.д cos cos k2.д sin sin .

Здесь и ниже знаком “* ” отмечены элементы локальной геометрии репараметризованной поверхности

Д И .

Уравнение (68) может быть также получено из формулы Эйлера (30).

По определению (см. выше, определение 4.1) угол между первыми главными направлениями T1.д и T1.и поверхностей Д и И в их общей точке K есть угол относительной локальной ориентации . Поэтому уравнения, аналогичные (68) и (69), для исходной инструментальной поверхности И примут вид:

N G k1.и cos2 k2.и sin 2 EиGи k1.и cos cos k2.и sin sin

Mи

 

 

2r

 

и

cos cos

 

2r

и

cos sin sin cos

 

 

 

 

 

EиGи

 

 

 

 

 

(4.70)

U

2

Uи Vи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

rи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

sin sin

 

 

 

 

 

 

sin sin

n

 

 

 

 

E

 

G

 

cos cos k

 

 

 

 

 

V 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и

 

 

 

и

 

и

1.и

 

2.и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для направления, касательного к характеристике E , из уравнений (68)–(70) следуют зависимости, ограничивающие параметры поверхностей Д и И , касающихся одна другой в точке K :

k k

cos 2 k

2.д

sin 2

k

cos 2 k

2.и

sin 2

 

(4.71)

1.д

 

 

1.и

 

 

 

 

и (для направления, ортогонального предыдущему)

k k1.д cos cos k2.д sin sin k1.и cos cos k2.и sin sin .

(4.72)

Кривизна k расчитывается по формуле k

Mд

 

 

 

Mи

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Lи N

 

 

 

Lи N

 

Перепишем уравнения (71) и (72) в форме:

cos

sin

k

cos

cos

 

 

1.д

 

 

cos

sin

k2.д sin

cos

sin k1.и cos . sin k2.и sin

Следовательно k1.д и k2.д могут быть выражены через k1.и , k2.и и :

k

 

cos

cos

sin 1

cos

sin

k

 

cos

cos

 

1.д

sin

 

 

cos

sin

 

 

cos

 

 

1.и

 

 

sin

 

k

2.д

 

 

 

 

sin

 

k

2.и

sin

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin k1.и cos . cos k2.и sin

(4.73)

Произведение (73) можно подставить в (72). При этом помним, что (72) справедливо для любых значений . Это следует из того, что характер касания поверхностей Д и И не зависит от вида их

параметризации. Из уравнения (73) получим:

222

4. Геометрия касания поверхности детали и исходной инструментальной поверхности

Определение 4.2. Квадратичная индикатриса Дюпена гладкой регулярной поверхности Д(И) в текущей точке на ней – это кривая, определяемая совокупностью векторов W xд и E1 yд и E 2 , координаты

xд и , yд и концов которых удовлетворяют уравнению

k2

x2

k2

y

2

 

1

,

1.д и д и

2.д и

 

д и

 

 

где k1.д и и k2.д и представляют собой главные кривизны поверхности

Д И в точке.

Квадратичная индикатриса Дюпена Indsq

Д И

(Ye, X.,

 

1996)

– это характеристическая кривая,

представляющая собой эллипс в эллиптических (рис. 4.15.1) и гиперболических (рис. 4.15.3) точках

поверхности

Д И и две параллельные прямые в параболических ее точках (рис. 4.15.2).

Д И

M

Д И

M

Д И

 

 

 

 

M

yд и

Indsq Д И

 

M

xд и

1.

 

yд и

Indsq Д И

 

M

xд и

2.

 

yд и

Indsq Д И

 

M

xд и

3.

 

Рис. 4.15. Квадратичные индикатрисы кривизны Indsq Д И поверхности Д И .

Использование этой характеристической кривой связано с потерей информации, в частности, потому, что по параметрам Indsq Д И нельзя отличить эллиптический локальный участок поверхности Д И от ее

гиперболического участка, выпуклый локальный участок поверхности от вогнутого ее локального участка (в частности поэтому квадратичная индикатриса кривизны Indsq Д И поверхности Д И – это кривая, а не

участок плоскости, как это имеет место для (52) и (53)) и пр. Вместе с тем в совокупности с другими параметрами локальной топологии поверхностей Д и И она оказывается полезной, так как позволяет

составить дополнительное уравнение для описания геометрии касания поверхностей деталей и инструментов.

4.5.Мера степени конформности поверхности детали

иисходной инструментальной поверхности

Эффективность процесса формообразования поверхностей деталей инструментами с различными исходными инструментальными поверхностями неодинакова. Она определяется степенью конформности1 (полнотой прилегания) поверхности И к поверхности Д в точке K их касания (или в каждой точке

характеристики).

1Введение количественной оценки (меры) степени конформности поверхностей Д и И позволяет перейти от интуитивного и расплывчатого понятия “геометрия касания” поверхностей Д и И к строгому и однозначному понятию – к мере степени их конформности, которая может быть выражена числом.

 

4.5. Мера степени конформности поверхности детали и исходной инструментальной поверхности

 

223

n д

 

 

 

 

4.5.1. Функции конформности. Для аналити-

 

 

 

 

ческого описания геометрии касания поверхностей

 

 

 

Rи

 

деталей и инструментов введем меру степени их

 

 

 

 

конформности, отражающую полноту прилегания

Д

 

 

Д

И

поверхности И инструмента к поверхности

Д

 

И

детали и особенности геометрии их касания в

К

 

 

 

 

 

дифференциальной окрестности точки K .

 

 

 

 

 

Rд

 

Через контактную нормаль n д и (рис. 4.16.1)

 

 

 

 

проведем пучок секущих плоскостей. Каждая

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

плоскость пучка пересекает поверхности Д

и

И

 

1.

 

2.

 

по гладким кривым, касающимся одна другой в

 

 

 

точке K . Обозначим радиусы

кривизны

линий

 

 

 

 

 

Рис. 4.16. К определению индикатрисы конформности

пересечения поверхностей

Д и

И текущей плос-

поверхности

И инструмента к поверхнос-

костью пучка через Rд и

Rи

(рис. 4.16.2). Кон-

ти

Д обрабатываемой детали.

 

формные свойства поверхностей

Д и И опреде-

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

ляются алгебраическими значениями радиусов кри-

визны Rд и

Rи . Для однозначного аналитического описания геометрии касания поверхностей Д

и

И

используем аналитический функционал от Rд

и Rи ,

для которого не существует такого согласованного

между собой изменения аргументов, при котором для разных значений аргументов функционал тождественен сам себе. Функционалы такого класса назовем функциями (функционалами) конформности. В общем виде они записываются так:

rconf

F f1 Rд ; f2 Rи ,

(4.75)

где f1 Rд –нелинейная функция от Rд ;

 

 

 

f2 Rи –нелинейная функция от Rи ;

 

 

 

F – произвольный функционал.

 

 

 

В частных случаях функции f1 Rд

и

f2 Rи могут быть из одного класса функций, в том числе они

могут быть одинаковыми (т.е. иметь вид

f Rд и f Rи ).

 

Определение 4.3. Функция конформности – это сложная функция (функционал) двух нелинейных функций, зависящих от алгебраических значений нормальных радиусов кривизны Rд и Rи поверхностей Д и

И в точке K их касания, для которого не существует такого согласованного между собой изменения аргументов, при котором для разных значений аргументов функционал тождественен сам себе.

При изменении отношения dUд (т.е. при вращении секущей плоскости вокруг контактной нормали) dVд

аргументы Rд и Rи изменяются по величине, а соответствующее им значение функции конформности количественно отражает конформные свойства поверхностей Д и И в текущем положении секущей

плоскости.

Текущее положение плоского нормального сечения удобно определить центральным углом , который это сечение образует с первым главным сечением C1.д поверхности Д .

С учетом того, что Rд Rд и Rи Rи , функционал (75) преобразуется к виду

 

 

 

 

r

conf .

F

 

f

* ;

f * ,

(4.76)

 

 

 

 

 

 

 

1

2

 

где функции f *

,

f

*

аналогичны функциям

f ,

f

2

в уравнении (75).

 

1

 

 

2

 

 

1

 

 

 

Д и И однозначно.

Все функции класса (76) описывают геометрию касания поверхностей

224

4. Геометрия касания поверхности детали и исходной инструментальной поверхности

 

 

 

Поскольку функционал F f * ; f

*

зависит от двух нелинейных функций

f *

и f * , он всегда

 

1

2

 

 

1

2

нелинеен (за исключением случая, когда, во-первых, f * тождественно равно

f *

) и, во-вторых, имеет

 

 

 

1

2

 

поверхности И

экстремумы, соответствующие экстремальным значениям степени конформности

инструмента к поверхности Д детали.

 

 

 

 

 

Для решения задачи синтеза наивыгоднейшего формообразования поверхности детали из класса функций конформности можно использовать любую функцию – каждая из них однозначно описывает геометрию касания поверхностей Д и И в дифференциальной окрестности точки K . Целесообразно

выбрать функционал F возможно более простой структуры, не имеющий локальных экстремумов и обладающий другими полезными свойствами (см. ниже).

4.5.2. Индикатриса конформности. Для решении задачи синтеза наивыгоднейшего формообразования поверхности детали удобно использовать частный случай функции конформности (76), а именно – индикатрису конформности поверхности детали и исходной инструментальной поверхности (Радзевич С.П.,

1987, 1988).

Чтобы получить уравнение этой характеристической кривой, рассмотрим дифференциальные окрестности точки K на поверхности Д детали и на поверхности И инструмента. Для этого с точкой K

свяжем начало локальной системы координат xд yд .

Распределение нормальных кривизн поверхности Д в дифференциальной окрестности точки K описывается индикатрисой кривизны Ind Д (44):

(4.77)

 

 

 

 

 

Lд

 

x2

 

2Mд

 

x y

 

 

Nд

 

y2

1 .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Eд

 

 

д

 

 

EдGд

 

д д

 

 

 

 

Gд

 

д

 

 

 

 

 

 

 

Аралогичным уравнением (44):

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.78)

 

 

 

 

 

Lи

 

x2

 

 

2Mи

 

x y

 

Nи

 

y2

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Eи

 

 

и

 

 

EиGи

 

и и

 

 

 

 

 

Gи

 

и

 

 

 

 

 

 

 

индикатрисы

кривизны

Ind И

 

описывается

распределение

 

нормальных кривизн поверхности И в

дифференциальной окрестности точки K на ней.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Индикатрису конформности

 

Indconf Д И

поверхностей

 

Д

и

И

 

определим как плоскую кривую,

радиус-вектор rconf каждой точки которой равен алгебраической сумме

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sgn Φ 1

 

 

 

 

 

 

sgn Φ 1 .

(4.79)

r

conf

r

д

sgn R

r

sgn R

 

 

R

 

 

 

 

 

 

R

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

д

 

и

 

 

и

 

 

 

 

д

 

 

 

 

 

 

 

2

 

 

 

и

 

 

2

Формула (79) находится в соответствии с (76) – следовательно, индикатриса конформности Indconf ДИ принадлежит к классу функций конформности (75). Второй сомножитель каждого слагаемого в

(79) – функция-знак, не изменяет величин rд и rи , он определяет их знак с учетом характера кривизны плоских нормальных сечений поверхностей Д и И в точке K : “+” – для выпуклых и “–“ – для вогнутых нормальных сечений этих поверхностей.

Чтобы воспользоваться уравнениями (77) и (78) индикатрис кривизны Ind Д и Ind И , необходимо эти

уравнения, во-первых, записать в общей системе декартовых координат, и, во-вторых, перейти к общей системе полярных координат.

В процессе обработки инструмент занимает различные положения относительно детали – ориентация поверхности И относительно поверхности Д изменяется во времени. Более того, в фиксированной точке К

инструмент имеет одну степень подвижности относительно детали – возможность поворота вокруг контактной нормали (см. гл. 3, раздел 2.3. “Ориентирующие движения инструмента”). Поэтому в общем

случае поверхности Д и И занимают такое положение одна относительно другой, в котором их первые главные секущие плоскости C1.д и C1.и образуют угол относительной локальной ориентации.

 

 

 

 

 

 

 

4.5. Мера степени конформности поверхности детали и исходной инструментальной поверхности

 

 

 

225

 

Чтобы записать уравнения (77) и (78) в общей системе декартовых координат, достаточно уравнение (78)

привести к локальной системе координат

xд yд

 

 

детали. Для этого воспользуемся оператором Res Kи K

преобразования координат (12). После приведения (78) примет вид:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

 

 

 

M

и

 

 

 

 

 

 

N

и

 

 

 

 

 

2

 

 

 

 

L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2M

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и

cos2

 

 

 

sin 2

 

 

 

sin 2 x

 

 

 

и

 

sin 2

 

 

 

 

 

 

 

 

cos 2

 

 

 

sin 2 x

y

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Eи

 

 

 

EиGи

 

 

 

 

 

 

Gи

 

 

 

 

 

д

 

 

 

Eи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

EиGи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Gи

 

 

 

 

 

 

 

 

д

д

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.80)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

M

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

N

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и

sin

2

 

 

 

 

 

 

 

sin 2

 

cos2

y

2 1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Eи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

EиGи

 

 

 

 

 

 

Gи

 

 

 

 

 

д

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Уравнения (77) и (80) индикатрис кривизны Ind Д и Ind И представлены в общей системе координат

xд yд .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для перехода к полярным координатам воспользуемся формулами (3.30).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

После преобразований из (77) и (80) соответственно получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

rд

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

EдGд

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

;

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.81)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos2 M

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin 2 N

 

 

 

 

 

sin 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L G

д

д

 

E

д

G

д

д

E

д

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

д

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

rи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

EиGи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.82)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos2

M

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin 2 N

 

 

 

sin 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L G

и

и

 

E

и

G

и

 

и

E

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Подставляя (81) и (82) в (79), приходим к результату:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

rconf

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

EдGд

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sgnΦ2.1д

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

cos2 M

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L G

д

д

 

E

д

G

д

 

sin 2 N

д

E

д

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

д

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.83)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

EиGи

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sgnΦ2.и .

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2 M

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sin 2 N

 

 

 

 

 

sin 2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

L G

и

cos

и

 

E

и

G

и

и

E

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

и

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Уравнение (83) является уравнением характеристической

 

 

кривой

 

 

 

индикатрисы

конформности

Indconf Д / И

первого рода поверхности детали и исходной инструментальной поверхности. Анализ этого

уравнения показывает, что в общем случае индикатриса конформности

 

Indconf Д / И

является плоской

кривой четвертого порядка. Она обладает центральной и, в частных случаях (когда угол

 

локальной

ориентации кратен 0,5 ) зеркальной

симметрией.

Свойство

центральной симметрии

индикатрисы

конформности

 

Indconf Д / И

 

позволяет

 

без

 

 

 

потери

информации

рассматривать

 

ее

 

 

в

пределах не

центрального угла 2 , а в пределах центрального угла и тем самым уменьшить занимаемый объем памяти ЭВМ и системы ЧПУ металлорежущим станком. Если же в каждой точке касания поверхностей Д и И эта характеристическая кривая дополнительно обладает зеркальной симметрией, угол может быть уменьшен еще в два раза 0,5 .

Индикатриса конформности Indconf Д / И инвариантна относительно характера параметризации

поверхностей Д и И – при изменении параметризации изменяется уравнение этой кривой, но не ее форма и параметры. Параметры Indconf Д / И не зависят от величин углов д и между координатными Uд и и

Vд и линиями, но зависят от относительной ориентации контактирующих поверхностей Д и И .

226

4. Геометрия касания поверхности детали и исходной инструментальной поверхности

Если

поверхности Д и И параметризованы ортогонально, то при выводе уравнения (83) можно

исходить не из уравнений (44) индикатрис кривизны Ind Д И , а из более простых уравнений (45) – это приведет к получению более простого уравнения индикатрисы конформности Indconf Д / И , которое можно

рассматривать как частный случай уравнения (83).

На рис. 4.17 приведены примеры индикатрис конформности Indconf Д / И для случаев касания гладких

регулярных локальных участков поверхностей Д и И : выпуклого эллиптического локального участка

поверхности И инструмента с гиперболическим (рис. 4.17.1) и выпуклым параболическим (рис. 4.17.2) локальным участком поверхности Д детали; показаны соответствующие индикатрисы кривизны и

характерные параметры формы контактирующих поверхностей.

Индикатриса конформности Indconf ДИ (83) тесно связана со вторыми основными квадратичными формами Φ2.д и поверхностей Д и И .

Параметры индикатрисы конформности (83) требуется расчитывать в большом количестве точек касания поверхностей Д и И . В случаях, когда достаточно знать параметры этой характеристической кривой в

локальной системе координат, связанной с деталью, с помощью операторов преобразования координат (см. гл. 3) уравнение (83) можно из любой системы координат преобразовать в локальную подвижную систему координат. Можно поступить иначе и вывести уравнение уравнение этой характеристической кривой непосредственно в локальной подвижной системе координат. Для этого исходим из формулы Эйлера (30),

которую для поверхности

Д детали и отдельно для поверхности И инструмента представим в такой форме:

Rд

 

 

R1.дR2.д

 

 

 

 

;

Rи

 

 

R1.иR2.и

 

cos2 .

R

 

sin 2 R

 

cos2

R

sin 2 R

 

 

 

 

1.д

2.д

 

 

 

 

 

 

 

1.и

 

2.и

 

 

 

Подставив эти значения Rд и Rи

нормальных радиусов кривизны в (79), получим:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R1.дR2.д

 

 

 

 

1

 

 

 

 

R1R2

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

rconf

 

 

 

 

sgn Φ2

 

 

 

 

 

sgnΦ2.

R

sin 2 R

cos2

 

R

sin

2 μ R

cos2 μ

 

 

 

1.д

 

2.д

 

 

 

 

 

 

1

 

2

 

 

 

 

 

Это уравнение эквивалентно уравнению (83) индикатрисы конформности

Indconf Д И , но записано в

подвижной локальной системе координат, связанной с поверхностью Д детали.

Уравнение (83) может быть переписано в матричной форме. Для этого окажется полезным приведенное выше матричное уравнение (50) индикатрисы кривизны поверхностей Д И .

Подобно тому, как наряду с индикатрисой кривизны (индикатрисой Дюпена) (44) выше в рассмотрение введена индикатриса собственно кривизны (54), так и наряду с уравнением (83) индикатрисы конформности

Indconf ДИ , построенном исходя из соотношений радиусов кривизны поверхностей Д и И (см. (79)), можно ввести в рассмотрение индикатрису конформности второго рода, построенную исходя из соотношений

собственно кривизн поверхностей

Д и И . По аналогии с (79) индикатрису конформности второго рода

Ind k

Д / И определим как:

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

conf

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

(4.84)

 

kconf

 

kд

 

 

sgn kд

 

kи

 

 

sgn kи .

 

 

 

 

 

В рассматриваемом случае удобно воспользоваться формулой Эйлера (30), которую запишем для

поверхности Д детали и для поверхности И инструмента

 

 

 

 

k

д

k

cos2 k

2.д

sin 2

 

;

k

и

k

cos2 k

2.и

sin 2

.

 

1.д

 

 

 

 

 

1.и

 

 

 

4.5. Мера степени конформности поверхности детали и исходной инструментальной поверхности

227

 

Indconf ( Д / И)

yд

Indconf ( Д / И)

n д

 

 

 

 

Ind Д

 

Ind Д

И

Д

 

 

 

C1.д

 

xд

K

 

K

 

 

C2.u

Ind И

 

 

 

 

nu

 

 

 

 

 

C2.д

C1.u

 

1.

 

 

 

 

yд

Indconf ( Д / И)

 

n д

 

 

 

 

 

 

 

И

 

D

Ind

Д

 

 

Ind И

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C1.д

 

 

K

 

xд

 

K

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

C2.u

 

 

 

Ind Д

 

n u

 

 

 

 

 

 

 

 

2.

 

Indconf

( Д / И)

C2.д

C1.u

 

 

 

 

 

Рис. 2.17. Примеры индикатрис конформности Indconf Д / И для случаев касания выпуклого

эллиптического локального участка поверхности И инструмента с гиперболическим

(1) и выпуклым параболическим (2) локальным участком поверхности Д детали.

Подставив эти значения kд

и kи

в (84), получим

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

sgn Φ 1 .

 

k

conf

 

 

k

cos2 k

2.д

sin

2

 

 

sgn Φ 1

 

 

k

cos

2 k

2.и

sin

2

 

 

(4.85)

 

 

 

 

 

 

 

 

1.д

 

 

 

 

 

2.д

 

 

 

1.и

 

 

 

 

 

 

2.и

 

228

4. Геометрия касания поверхности детали и исходной инструментальной поверхности

Уравнение (85) – это уравнение индикатрисы конформности второго рода Indconfk Д / И , выраженное

через собственно кривизны поверхностей Д и И и записанное в подвижной локальной системе координат, связанной с деталью.

Уравнения (79) и (84) индикатрис конформности Indconf Д / И и Indconfk Д / И справедливы для всех случаев формообразования поверхностей деталей – как поверхностей Д относительно простой формы, так и

сложных поверхностей деталей. Они могут быть использованы также в вырожденных случаях. Например, если при контурном точении фасонных поверхностей деталей требуется количественно оценить полноту прилегания (степень конформности) криволинейной режущей кромки резца к фасонной образующей

поверхности детали. В этом случае в (79) подставляются соответствующие значения радиусов кривизны Rд и Rи фасонной образующей поверхности детали и криволинейной режущей кромки или в (84) – их кривизны

kд и kи .

4.5.3. Особенности формы индикатрисы конформности первого рода. Поверхности Д и И могут

касаться одна другой в точке, вдоль характеристики E , в пределах некоторого участка поверхности и могут взаимно интерферировать. Перечисленные особенности характера сопряжения локальных участков

поверхностей Д и И отражаются на особенностях формы индикатрисы конформности Indconf Д / И .

Из уравнения (83) следует, что каждому виду касания поверхностей Д и И соответствуют особенности

формы индикатрисы

конформности Indconf Д / И (рис. 4.18).

Например, при точечном касании

поверхностей Д и И (рис. 4.18.1) минимальный диаметр dconfmin

индикатрисы конформности Indconf Д / И

всегда положителен (d

min 0 ); при касании поверхностей Д

и

И по характеристике E (рис. 4.18.2)

 

conf

 

 

минимальный диаметр

dconfmin индикатрисы конформности Indconf Д / И всегда равен нулю (dconfmin 0 );

при касании поверхностей Д и И в пределах некоторого участка поверхности (рис. 4.18.3) индикатриса конформности вырождается в точку, совпадающую с началом локальной системы координат xд yд .

Приведенные на рис. 4.18. примеры индикатрис конформности Indconf Д / И построены для случаев,

когда оба локальных участка поверхностей Д и И являются выпукловогнутыми гладкими регулярными локальными участками гиперболического типа. По уравнению (83) можно построить индикатрисы

конформности Indconf Д / И для всех

случаев касания любых типов гладких

регулярных

локальных

участков поверхностей Д и И (табл. 4.1)1.

процессе обработки поверхность И

 

 

Могут иметь место случаи, когда

в

инструмента

пересекает

поверхность Д детали (рис. 4.19) и, следовательно, поверхности Д и И

интерферируют. В результате

интерференции радиус-вектор rconf индикатрисы конформности Indconf Д

/ И принимает отрицательные

значения. По этой причине для любой пары интерферирующих поверхностей

Д и И минимальный диаметр

индикатрисы конформности всегда отрицателен (d min

0 ).

 

 

 

conf

 

 

 

 

Следует различать частичную и полную интерференцию поверхностей

Д и И в дифференциальной

окрестности их общей точки K (рис. 4.19).

 

 

 

И

 

Например, локальный участок эллиптического

типа поверхности

может частично пересекать

локальный участок гиперболического типа поверхности

Д в дифференциальной окрестности их общей точки

K (рис. 4.19.1). В этом случае выполняется условие

d

min 0 , имеет место самопересечение не только

 

Indconf Д И ,

conf

 

 

собственно индикатрисы конформности

но и каждой из

ее ветвей в отдельности. При

изменении цетрального угла в пределах

0 , текущее значение радиус-вектора rconf принимает как

положительные, так и отрицательные значения.

 

 

 

 

1В табл. 4.1 одновременно представлены диаграммы конформности – это кривые, построенные в декартовых координатах в соответствие с (79).

 

4.5. Мера степени конформности поверхности детали и исходной инструментальной поверхности

229

 

 

 

 

 

yд

 

 

 

 

Indconf Д / И

 

C1.д

Indconf Д / И

 

 

n д

 

C

 

 

 

 

 

 

 

 

И

 

 

 

1.u

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

K

 

 

K

 

 

 

C2.д

C2.u

 

 

xд

 

 

 

 

 

 

 

 

Ind Д

 

 

 

Ind Д

 

 

 

 

 

 

 

 

Д

nu

Ind И

d

min

Ind И

 

 

 

 

 

 

 

 

 

conf

 

 

 

 

1.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

yд

 

 

 

 

Indconf Д / И

 

C1.д

/ И

 

 

n д

 

 

 

C1.u

 

 

 

И

 

 

 

 

 

 

 

K

 

 

K

xд

 

 

C2.д

 

 

 

 

 

 

Ind Д

 

 

 

Ind Д

 

Д

nu

Ind И

 

 

 

Ind И

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2.

 

 

dconfmin 0

 

 

n д

И

K

Д nu

yд

Indconf Д/И

C

1.д

 

C1.u

 

C2.д C2.и

K

 

 

xд

 

 

 

 

Ind Д

 

 

 

Ind Д

Ind И

Ind И

 

 

 

d

min d

conf

0

 

 

conf

 

3.

Рис. 4.18. Особенности формы индикатрисы конформности Indconf Д / И , вызванные различным видом сопряжения поверхностей Д и И .