Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы теории и технологии электроэрозионного формообразования прецизионных полусферических оболочек. Монография.pdf
ку форма поверхности определяется качеством профилирования инструмента. Кроме того, необходима высокая точность
конечного положения инструмента при совершении радиального рабочего хода, которую достаточно трудно обеспечить.
а б в
г д е
Рис. 1.2. Методы механической обработки выпуклых сферических
поверхностей
При обработке сферических сегментов скорость резания
в полюсе Р равна нулю, что затрудняет обработку, ухудшает
форму и шероховатость поверхности. Этот недостаток отсутствует при обработке сферических поясов, в которых полюс
отсутствует, а скорости резания в различных точках отличаются незначительно.
На токарных станках с ЧПУ и на гидрокопировальных
станках сферические поверхности обрабатывают методом
контурного точения, при котором круговая траектория инст-
11
румента задается изменением соотношения продольной и поперечной подачи (рис. 1.2,в). При этом угловое положение
инструмента относительно станка неизменно, оно меняется
относительно обрабатываемой поверхности. Соответственно
меняются и рабочая геометрия инструмента, и значение и направление силы резания относительно стержня резца. Это приводит к упругим отжатиям технологической системы и, как
следствие, к погрешностям формы поверхности.
Высокая точность сферических поверхностей достигается при круговой подаче резца вокруг оси, пересекающейся
с осью шпинделя в центре сферической поверхности О
(рис. 1.2,г). Рабочая геометрия резца, величина и направление
действующих на него сил резания остаются неизменными.
В результате погрешность формы, возникающая вследствие
упругого отжатия резца, существенно снижается, однако погрешностей заготовки избежать и в этом случае невозможно.
Точность размера сферической поверхности определяется радиусом r, по которому движется формообразующая точка
резца. Обработка с круговой подачей используется на специализированных сферотокарных станках, применима она
и для шлифования сферических поверхностей (рис. 1.2,д), как
выпуклых, так и вогнутых.
Общим недостатком всех рассмотренных методов механической обработки сферических поверхностей лезвийным
инструментом является близкая к нулю скорость резания
вблизи полюса сферы, что негативно сказывается на качестве
обработки. Обработка сферических поверхностей методом
касания лишена указанного недостатка. При этом методе
главное движение резания совершает режущий инструмент,
лезвия которого движутся по окружности, касательной к обрабатываемой поверхности (рис. 1.2,е). Заготовка при этом
совершает медленное движение круговой подачи вокруг оси
шпинделя. Для правильного формообразования диаметр касательной окружности, образуемой лезвиями, должен быть ра-
12
вен длине хорды, соединяющей крайние точки формообразующей дуги, или превышать ее. Но в тех случаях, когда обрабатываемая поверхность содержит полюс, прохождение касательной окружности через него обязательно.
На рис. 1.2,е крайние точки формообразующего контура
соединяются хордой РА, где Р – полюс сферической поверхности, с которым строго совмещается касательная окружность. Противоположная точка касательной окружности может проходить как через точку контура А, так и за ее пределами. Например, та же поверхность может быть обработана
инструментом, создающим касательную окружность с диаметром РА.
В тех случаях, когда обрабатывается шаровой пояс, не
имеющий в своих пределах полюса, касательная окружность
также может совпадать с хордой формообразующего контура
АБ (рис. 1.3,а), но может и выходить за ее пределы с обеих
сторон контура, как это показано на рисунке. Очевидно, что
диаметр касательной окружности не может быть больше диаметра сферической поверхности.
а б в г
Рис. 1.3. Схемы обработки сферических поверхностей методом
касания
Методом касания могут обрабатываться и вогнутые
сферические поверхности (рис. 1.3,б) при условии соблюдения указанных требований к геометрическим параметрам инструмента.
13
При обработке как наружных, так и внутренних сферических поверхностей каждому из рассмотренных положений
формообразующей касательной окружности соответствует
конкретный угол между осью круговой подачи и осью вращения инструмента, который должен быть определен и выдержан при настройке технологической системы.
Обрабатываемые методом касания поверхности имеют
правильную сферическую форму только в том случае, если
ось вращения инструмента пересекается с осью круговой подачи заготовки в центре сферической поверхности.
Таким образом, обработка по методу касания позволяет получить высокую точность сферической поверхности,
однако требует изготовления сложных специальных инструментов, индивидуальных для каждого типоразмера поверхности, а также очень тщательной настройки технологической системы. Наиболее уязвимым местом обработки по методу
касания являются разные условия работы инструмента в начале
и конце процесса, что приводит к вариации упругих отжатий
и возникновению погрешности формы. По этой же причине
ухудшается шероховатость обработанной поверхности.
Оценивая рассмотренные методы механической обработки сферических поверхностей, можно констатировать, что
все они, обладая рядом достоинств, имеют и существенные
недостатки. Наиболее негативное влияние оказывают большие усилия резания, приводящие к упругим деформациям
и образованию погрешностей формы. При обработке материалов повышенной твердости последнее обстоятельство
практически исключает возможность обработки сферических
поверхностей малого диаметра (менее 5 мм), а также при изготовлении оболочек с толщиной стенки в доли миллиметра.
Изготовление тонкостенных прецизионных полусферических оболочек в соответствии с предъявляемыми к ним жесткими требованиями традиционными методами, основанными на механическом воздействии инструмента, весьма за-
14
труднительно. Большие силы резания, упругие деформации,
размерный износ инструмента приводят к искажению формы
оболочки, снижают точность обработки, которую в итоге
приходится обеспечивать методами ручной доводки. Технологические трудности, связанные с применением традиционных методов изготовления полусферических оболочек, оказывают влияние и на конструкторские решения, ограничивают применение эффективных, но труднообрабатываемых
материалов, ухудшают качество изделия и увеличивают его
стоимость, ограничивают возможности исследований ряда
физических процессов (например, ГДТС).
Перечисленные недостатки отсутствуют при электроэрозионном формообразовании, поскольку в этом случае между инструментом и обрабатываемой поверхностью заготовки
нет механического контакта. Отсутствие контакта обеспечивает возможность изготовления деталей сколь угодно малой жесткости. Кроме того, производительность электроэрозионной
обработки мало зависит и от твердости материала.
Электроэрозионная обработка (ЭЭО), в отличие от процесса резания, основана на тепловой эрозии заготовки под
действием импульсов электрического тока, однако позволяет
осуществлять формообразование сферических поверхностей
теми же методами, что и при механической обработке. Наиболее часто используются методы прямого копирования, огибания и их сочетания [2].
С точки зрения реализации наиболее простым методом
получения вогнутых сферических поверхностей является метод копирования (рис. 1.4,а), характеризующийся наличием
лишь поступательного перемещения электрода, выполняющего функции инструмента, в направлении обрабатываемой
поверхности. В этом случае в процессе формообразования
участвует наименьшее количество звеньев (кинематических
пар), передающих движение, что, безусловно, должно благоприятно сказываться на точности получения вогнутой сфери-
15
ческой поверхности. Однако этому методу присуще больше
недостатков, нежели достоинств. Основными недостатками
метода копирования, не позволяющими рекомендовать его
для широкого использования, являются:
– необходимость применения электрода, выполняющего
функции инструмента, к точности размеров и формы которого предъявляются повышенные требования: она должна быть
примерно на порядок выше точности изготавливаемой сферической поверхности, что приводит, естественно, к увеличению
стоимости электрода и, следовательно, стоимости обработанной им детали сферической формы;
– неизбежный износ электрода-инструмента (ЭИ) в процессе ЭЭО, который приводит к снижению его изначально
достигнутой точности. Погрешности размеров и формы ЭИ
при этом соответствующим образом будут переноситься на
обрабатываемую поверхность.
Следовательно, электроэрозионное формообразование
сферических поверхностей по методу копирования не обеспечивает высокой точности формы сферической поверхности,
т. е. возможности получения прецизионных оболочек сферической формы.
а б в
Рис. 1.4. Методы электроэрозионной обработки сферических
поверхностей
16
В практику ЭЭО внедрено немало эффективных способов снижения интенсивности изнашивания ЭИ, однако способов его полного устранения пока не найдено. Особенно
острой эта проблема становится при обработке прецизионных
деталей. Частая замена инструмента для восстановления его
формы существенно снижает производительность обработки
и увеличивает затраты ресурсов.
Известен более совершенный вариант получения сферической поверхности методом копирования, когда используется ЭИ в виде диска [3], вращающегося относительно своей
оси, совершающий поступательное движение подачи в направлении заготовки (рис. 1.4,б). Заготовка также совершает
вращательное движение относительно своей оси. При такой
схеме ЭЭО износ инструмента не приводит к образованию
погрешности формы поверхности, однако вызывает погрешность размера (радиуса сферы). Таким образом, электроэрозионное формообразование сферических поверхностей методом копирования в любом виде не обеспечивает высокой
точности сферических поверхностей [4, 5].
Электроэрозионное формообразование сферических поверхностей методом огибания (рис. 1.4,в) [5] производится
с формообразующими движениями, идентичными обработке
на сферотокарных станках (рис. 1.2,г). Инструмент при этом
имеет возможность радиального перемещения для настройки
на заданный радиус сферической поверхности, а ее форма
обеспечивается при помощи двух движений подачи: вращения заготовки вокруг собственной оси и поворота инструмента относительно центра сферы. Неизбежный при этом износ
ЭИ приводит к неустранимой погрешности формы оболочки.
Высокую точность формы обеспечивает метод касания,
при котором сферические поверхности обрабатываются трубчатым непрофилированным ЭИ, вращающимся относительно
оси, проходящей через центр сферы [6]. Кинематика такого
формообразования такая же, как и при лезвийной обработке
17
методом касания (рис. 1.2,е). Обрабатываемая заготовка также вращается относительно своей оси, которая наклонена
к оси вращения инструмента под заданным углом . Электроэрозионная обработка производится внутренней или наружной кромкой плоского торца цилиндрического ЭИ в зависимости от того, какая поверхность обрабатывается – соответственно, выпуклая или вогнутая сферическая. При этом высокая
точность обработки достигается лишь в том случае, если обеспечивается точная ориентировка относительно обрабатываемой поверхности точно изготовленного инструмента.
Особого внимания [7] требует неизбежный износ рабочей кромки трубчатого ЭИ в процессе обработки, поскольку
его влияние на погрешность формы поверхности неоднозначно. В процессе изнашивания рабочая кромка ЭИ превращается в рабочую поверхность, эквидистантную обрабатываемой
поверхности, т. е. приобретает форму сферы, концентричной
обрабатываемой поверхности и отстоящей от нее на расстоянии межэлектродного промежутка. Однако при обработке поверхности достигается не только ее сферическая форма, но
и заданный радиус благодаря постепенному удалению припуска. При этом открытым остается вопрос, обеспечивает ли
интенсивность изнашивания ЭИ синхронное изменение сферического радиуса, т. е. «приработку» его рабочей поверхности. Если такая «приработка», особенно в случае принятия мер
по снижению интенсивности изнашивания ЭИ, произойти не
успевает, достижение заданных размера и формы сферической
поверхности проблематично. Если же возможно создание условий, при которых изнашивание ЭИ не оказывает негативного влияния на точность обработки, рассматриваемый способ
может обеспечить наивысшее качество обработки сферических
поверхностей из электропроводных материалов.
Общая формулировка поставленной задачи достаточно
проста. Для ее решения необходимо, чтобы при обработке
методом касания формообразующий характер имела не един-
18
ственная окружность в виде кромки ЭИ, а вся его рабочая поверхность, образующаяся в процессе изнашивания. Как сказано выше, это возможно лишь в том случае, когда рабочая
поверхность ЭИ в процессе изнашивания будет иметь форму,
эквидистантную обрабатываемой поверхности, радиус которой в процессе обработки непрерывно меняется: при обработке выпуклых поверхностей – уменьшается, при обработке
вогнутых – увеличивается. Иными словами, ЭИ должен
«прирабатываться» относительно обрабатываемой поверхности заготовки, т. е. обладать свойством самопрофилирования.
Кроме того, самопрофилирование способствует устранению
жестких требований к точности изготовления инструмента,
радиальное биение которого в таком случае не влияет на точность формообразования, так как «приработка» происходит
относительно фактической оси вращения. Более того, отпадает необходимость профилировать рабочую поверхность ЭИ
при его изготовлении. Она может быть принята простейшей –
плоской или конической – и самопрофилироваться на начальной стадии снятия припуска без снижения качества сферообразования. Осевая подача инструмента служит не только
для обеспечения снятия припуска с заготовки, но и компенсирует износ ЭИ.
Вращательное движение ЭИ носит вспомогательный
характер и необходимо лишь для того, чтобы в процессе многократного перекрытия поверхностей создать одинаковые условия работы всех точек его рабочей поверхности, выровнять
их износ и тем самым обеспечить самопрофилирование.
Рассмотренный метод обработки можно классифицировать как «электроэрозионная обработка сферических поверхностей самопрофилирующимся инструментом» [7]. Он пригоден для формообразования как выпуклых, так и вогнутых
сферических поверхностей на одном и том же оборудовании
(рис. 1.5). Метод электроэрозионного формообразования сферических поверхностей самопрофилирующимся инструмен-
19
том наиболее полно отвечает требованиям достижения высокой точности ЭЭО, сформулированным в [8]:
– уменьшение до минимума, определяемого выбранным
режимом обработки, зоны взаимодействия между электродом-инструментом и заготовкой;
– использование новых методов формообразования, исключающих негативное влияние износа электрода-инструмента
на точность изготовления детали;
– применение в качестве межэлектродных сред жидкостей, не дающих твердых продуктов разложения или дающих
минимальное их количество.
а б
Рис. 1.5. Обработка выпуклых (а) и вогнутых (б) сферических поверх-
ностей самопрофилирующимся трубчатым инструментом
1.3. Условия самопрофилирования рабочей поверхности
электрода-инструмента в процессе формообразования
сферической поверхности
Обработка сферических поверхностей самопрофилирующимся инструментом (рис. 1.6) основана на взаимодействии обрабатываемой поверхности заготовки и рабочей (торцевой) поверхности кольцевого трубчатого ЭИ, которым со-
20