Зубообрабатывающие станки

ВВЕДЕНИЕ

Достижения приводной техники и систем ЧПУ существенно упростили механические связи в металлорежущих станках и одновременно расширили функции, выполняемой системой ЧПУ.

Однако, это не означает, что при изучении станков с ЧПУ можно отказаться от изучения устройства, работы и наладки станков с механическими связями, и прежде всего потому, что закономерности процесса образования поверхности на заготовке путем снятия стружки на металлорежущих станках не зависят от способа управления и устройств для их реализации.

При настройке кинематических цепей в станках с механическими связями между исполнительными звеньями, участвующими в процессе формообразования, определяются математические зависимости, которые должны быть реализованы при помощи электронных связей системой ЧПУ.

В лабораторном практикуме излагается метод структурного анализа кинематической схемы станка, разработанный на кафедре «Станки», который позволяет при известных формах образуемой на заготовке поверхности и режущей кромки инструмента понять устройство, работу и произвести кинематическую настройку цепей станка, участвующих в процессе формообразования, реализуя тем самым закономерности относительных движений инструмента и заготовки.

Этот метод наиболее эффективен в станках со сложными движениями формообразования, к которым относятся зубодолбежный и зубофрезерный. станки.

Для сравнения приведен пример реализации закономерностей согласования электронных связей в зубодолбежном и зубофрезерном станках системой ЧПУ аппаратного типа, применявшийся на одном из первых этапов развития для управления зубообрабатывающими станками, а также спроектированный в МГТУ "СТАНКИН" зубофрезерный станок с прямыми приводами, управляемыми от системы ЧПУ.

4

1. ОБРАЗОВАНИЕ ПОВЕРХНОСТЕЙ НА МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКАХ

1.1. Геометрическое образование поверхностей. Производящие линии и методы их получения

Тело любой детали есть замкнутое пространство, ограниченное реальными геометрическими поверхностями, полученными в результате обработки детали тем или иным технологическим способом (литьем, штамповкой, резанием и т.д.), которые всегда будут отличаться от идеальных геометрических поверхностей.

Поверхности, полученные резанием на металлорежущих станках, будут отличаться от идеальных отклонениями от правильности формы и точности размеров, а также шероховатостью.

Процесс образования резанием реальных поверхностей базируется на идеализированном геометрическом процессе, при котором поверхность рассматривается как след, оставляемый одной производящей геометрической линией, называемой образующей, при ее движении по другой геометрической линии – направляющей. При этом под следом понимается непрерывное множество последовательных положений в пространстве движущейся образующей линии. Например, поверхность круглого цилиндра может быть представлена как след образующей прямой при движении ее по направляющей окружности (рис. 1.1, а) или, наоборот, образующей окружности при движении ее по направляющей прямой (рис. 1.1, б).

Рис. 1.1. Образование поверхностей: 1 – образующая производящая линия; 2 – направляющая производящая линия

5

Аналогично боковую поверхность зуба прямозубого цилиндрического колеса можно рассматривать как след образующей эвольвенты при перемещении ее по направляющей прямой (рис. 1.1, в) или, наоборот, образующей прямой при перемещении ее по направляющей эвольвенте (рис. 1.1, г).

Таким образом, для геометрического образования любой поверхности необходимы две геометрические производящие линии и их относительное перемещение.

На металлорежущих станках производящие линии и их относительное перемещение, а, следовательно, и образование поверхности реализуются режущей кромкой (или остроконечной вершиной) инструмента и относительным движением инструмента и заготовки. Эти движения называют движениями формообразования и обозначают буквой Ф. Количество и характер этих движений зависит от формы производящих линий и формы режущей кромки инструмента.

Различают четыре метода образования производящих линий: копирования, следа, касания и обката, каждый из которых требует вполне определенного количества движений формообразования.

Метод копирования реализуется в том случае, если форма и протяженность режущей кромки инструмента совпадают с формой и протяженностью образуемой производящей линии. При этом производящая линия получается как копия (отпечаток) режущей кромки инструмента без движения формообразования (рис. 1.2, а).

Метод следа - образуемая производящая линия представляет собой след, оставляемый одной точкой режущей кромки инструмента без отрыва ее от заготовки. Этот метод требует одного движения формообразования. По характеру оно может быть простым вращательным Ф(В1), если образуемая производящая линия представляет собой дугу окружности или окружность (рис. 1.2, б), простым поступательным Ф(П1), если образуемая производящая линия – прямая (рис. 1.2, в), и сложным, если для образования производящей линии требуется два и более строго согласованных между собой движения. Например, чтобы получить остроконечным резцом винтовую линию с заданным шагом t (мм) необходимо одно сложное движение Ф(В1П2), в котором соотношение скоростей вращения заготовки В1 и перемещение резца П2 вдоль ее оси должно быть вполне определенным, а именно: за 1 оборот заготовки резец должен переместиться на t мм (рис. 1.2, г). В случае же образования винтовой линии на конической поверхности потребуется также одно, но более

6

сложное движение Ф(В1П2П3) (рис. 1.2, д). Движения В1, П2 и П3, входящие в состав сложного движения, принято называть элементарными движениями.

Рис. 1.2. Методы образования производящих линий (1 – образуемая линия; 2 – инструмент): а – копирования; б - д–следа; е – касания; ж, з – обката

7

Метод касания - образуемая производящая линия является касательной к множеству положений вспомогательной линии, образуемой, в свою очередь, движением точки режущей кромки инструмента. Этот метод требует двух движений формообразования.

Главная особенность метода касания – дополнительное движение формообразования, которое используется для предварительного получения вспомогательной линии, чаще всего, методом следа. Так, например, при вращении дисковой фрезы Ф(В1) вершина одного зуба (рис. 1.2, е) описывает окружность (вспомогательная линия, полученная методом следа), а образуемая прямая линия на заготовке будет получена в результате многократного касания вершины зуба этой прямой при другом, независимом от Ф(В1), движении формообразования Ф(П2) – прямолинейном перемещении заготовки. Второе движение определяет форму образуемой производящей линии и при фрезеровании такой же фрезой винтовой линии на цилиндре или конусе вторым движением будет Ф(В2П3) или Ф(В2П3П4), соответствующие движениям на рис. 1.2, г и 1.2, д.

Следует отметить, что теоретически метод касания может потребовать и трех движений формообразования, если при образовании вспомогательной линии используется не метод следа, а метод касания. Однако, как правило, в этом случае третьим движением является движение формообразования, реализующее направляющую производящую линию, т.е. является совмещенным.

Метод обката, когда образуемая производящая линия является огибающей последовательных положений режущей кромки инструмента при качении без проскальзывания двух воображаемых линий, связанных с инструментом и заготовкой. Этот метод требует одного, но всегда сложного движения формообразования. Согласование элементарных движений, входящих в состав сложного движения, должно строго соответствовать качению воображаемых линий, которые являются центроидами взаимно огибаемых контуров образуемой производящей линии и режущей кромки инструмента. Наибольшую известность и применение получили взаимно огибаемые контуры эвольвентного зубчатого зацепления.

В зацеплении цилиндрических колес взаимно огибаемыми контурами являются эвольвентные профили зубьев, а их центроидами – начальные окружности колес, которые в зацеплении нормальных (некоррегированных) колес совпадают с их делительными окружностями (рис. 1.2, ж).

8

Так как угловой шаг зубьев, а следовательно, и угловые скорости колес в зацеплении нормальных и коррегированных пар одинаковы, при изложении в дальнейшем вопросов согласования движений для получения эвольвентного профиля зуба используется делительная окружность колеса. В реечном зацеплении, то есть в зацеплении колеса и рейки (колеса с радиусом, стремящимся к бесконечности), взаимно огибаемыми контурами являются эвольвентный профиль зуба колеса и трапециевидный профиль зуба рейки, а их центроидами – делительная окружность колеса и средняя линия рейки (рис. 1.2, з).

Сравнивая рассмотренные методы между собой, можно выделить для каждого из них особенность, которая отличает данный метод от других, а именно:

-только при методе копирования все точки образуемой производящей линии получаются одновременно;

-только при методе следа все точки образуемой производящей линии получаются одной точкой инструмента;

-только при методе обката каждой точке режущей кромки инструмента соответствует определенная точка на производящей линии, но, в отличие от копирования, точки получаются последовательно в процессе сложного движения обката.

Особенностью метода касания является, как уже отмечалось, необходимость в дополнительном движении формообразования. Производящая линия получается точкой режущей кромки, как правило, многолезвийного инструмента с периодическим отрывом ее от образуемой производящей линии.

1.2. Методы образования поверхностей на металлорежущих станках

Для образования поверхности необходимы две производящие линии, каждая из которых теоретически может быть получена одним из четырех рассмотренных выше методов. Если определить метод образования поверхности, то под этим следует понимать последовательное указание методов получения производящих линий – сначала образующей и затем направляющей, например, «копирования и следа», «обката и касания» и т.д., по которым можно судить и о количестве необходимых движений формообразования для ее получения.

Из теоретически возможных сочетаний методов следует исключить те, в которых направляющая образуется методом копирования, т.е. без движения

9

формообразования, как противоречащие процессу геометрического образования поверхности, при котором направляющая линия имитируется в относительном движении инструмента и заготовки.

В табл. 1.1 приведены возможные методы образования поверхностей на металлорежущих станках и соответствующее им число движений формообразования.

Таким образом, для образования поверхностей на станках требуется от одного до трех движений формообразования, которые по отношению к процессу резания являются одновременно и движениями скорости резания или подачи. Эти скоростные характеристики движений принято отражать индексами v и s в условной записи движений формообразования как Фv или Фs. Если поверхность образуется одним движением, то оно всегда является движением скорости резания, т.е. Фv; если двумя движениями, то одно из них Фv , а другое Фs и если тремя движениями, то одно из них Фv , а два других - Фs1 и Фs2 . Ниже даны примеры образования поверхностей методами, приведенными в табл. 1.1 с указанием в движениях формообразования их скоростных характеристик.

При совпадении контура режущей кромки инструмента с одной из производящих линий, эта линия всегда будет образующей, а число движений формообразования для получения поверхности будет определяться методом образования направляющей линии – следа или касания.

Так при точении цилиндра широким резцом (рис. 1.3, а) или нарезании резьбы профильным резцом (рис. 1.3, б) образующие производящие линии (прямая и профиль резьбы) будут получены методом копирования, а направляющие линии (окружность и винтовая линия) методом следа при одном движении формообразования Фv(В1) и Фv(В1П2) соответственно.

При фрезеровании канавки фасонной фрезой (рис. 1.3, в) или шлифовании цилиндрического прямозубого колеса профильным кругом (рис. 1.3, г) образующие производящие линии (профиль канавки и эвольвенты межзубовой впадины) будут получены, как и в предыдущих примерах методом копирования, а направляющие линии (прямые) – методом касания при двух движениях формообразования Фv(В1) и Фs(П2).

При взаимно огибаемых контурах режущей кромки инструмента и одной из производящих линий последняя будет получена методом обката и может быть как образующей, т.е. полученной первой, так и направляющей. При этом другая производящая линия образуется методом следа или касания.

10

Так при нарезании цилиндрических прямозубых колес зуборезным долбяком (рис. 1.3, д) или зуборезной гребенкой (рис. 1.3, е) образующая прямая линия будет получена методом следа при возвратно-поступательном движении инструмента Фv(П1), а направляющая линия – эвольвента – методом обката, при котором в сложном движении подачи делительная окружность нарезаемого колеса катится без проскальзывания по делительной окружности долбяка Фs (В2В 3) или средней линии гребенки (рейки) Фs (В2П 3).

1.1. Методы образования поверхностей на металлорежущих станках

При шлифовании таких колес дисковым обкатным щлифовальным кругом (рис. 1.3, ж) сначала, методом касания, при двух движениях формообразования – скорости резания Фv(В1) и быстрой подаче Фs1(П2) образуется прямая линия, а затем, методом обката, эвольвентный профиль зуба при медленной подаче Фs2(В3П4). В последнем движении катятся без проскальзывания делительная окружность шлифуемого колеса и средняя линия рейки, один зуб которой представлен профилем шлифовального круга.

11

При использовании червячной фрезы для нарезания прямозубого колеса (рис. 1.3, з) образующей линией будет эвольвента, а направляющей - прямая линия. Червячную фрезу можно представить как набор зуборезных гребенок, расположенных равномерно по окружности и смещенных относительно друг друга вдоль оси фрезы в соответствии с углом подъема ее винтовой линии. При вращении фрезы зуборезные гребенки пересекают плоскость, содержащую ось фрезы, имитируя на этой плоскости перемещение рейки бесконечной длины, с которой для получения эвольвенты методом обката и согласуется вращение заготовки в сложном движении формообразования Фv(В1В2). Направляющая прямая линия при фрезеровании образуется, как уже отмечалось ранее, методом касания при двух движениях формообразования – вращении фрезы и поступательном ее перемещении. Однако вращение фрезы В1 уже осуществляется в сложном движении, т.е. совмещается с движением обката и поэтому для получения прямой необходимо добавить лишь движение подачи Фs(П3). Точно так же осуществляется процесс формообразования и при шлифовании прямозубого колеса червячным шлифовальным кругом (рис. 1.3, и).

Теоретически возможно образование поверхности методом обката и следа, однако до настоящего времени нет примеров его практического применения.

Образование производящей линии точкой режущей кромки инструмента осуществляется методом следа или касания и, поэтому при получении поверхности в целом возможны четыре метода, указанные в табл. 1.1.

Метод «двойного следа» реализуется, например, при точении цилиндра проходным резцом (рис. 1.3, к) или сверлении отверстия (рис. 1.3, л), когда движениями формообразования Фv(В1) и Фs(П2) образуются, соответственно, окружность и прямая линия. Так как при точении следом от резца на поверхности цилиндра будет винтовая линия как и при нарезании резьбы (рис. 1.3, б), уместно на этом примере обратить внимание на принципиальное отличие результирующего движения, как суммы двух одновременных простых движений Фv(В1) и Фs(П2), от одного сложного движения Фv(В1П2).

Движения Фv(В1) и Фs(П2) являются независимыми и изменение в некоторых пределах скорости одного из них при неизменном другом не вызовет изменения формы производящих линий и, следовательно, формы образуемой поверхности, а отразится лишь на характере следа резца, т.е. на шероховатости поверхности. Подобные действия в сложном движении недопустимы, т.к. от согласованности элементарных движений зависит форма образуемой производящей линии, а значит и поверхности в целом.

12

Рис. 1.3. Методы образования поверхностей: а, б – копирования и следа; в, г - копирования и касания; д, е – следа и обката; ж – касания и обката; з, и – обката и касания

13