Проектирование металлорежущих инструментов - это процесс направленный на выполнение разработок, по выбору типа и конструкции инструмента, материалов его режущей и крепежной частей, назначение геометрических и конструктивных параметров, оптимизацию вариантов конструкции по различным критериям, а также анализ точности, стойкости и производительности.
На этапах конструкторской и технологической подготовке производства сложнопрофильных фасонных и сборных режущих инструментов возникает ряд проблем, связанных с профилированием режущей части цельных фасонных инструментов и определением положения сменных неперетачиваемых пластин (СНП) в корпусе или державке. Для решения данных задач применяются как графические методы построения профиля, так и аналитические, которые имеют ряд недостатков. Наиболее продуктивно решение задач профилирования режущей части инструмента, анализа операций механической обработки режущей части и процесса формообразования обеспечивает компьютерное 3D- моделирование.
Рис. 1. Моделирование конструкций инструментов и условий формообразования, как часть проектирования: а) точение фасонный призматический резец; б) фрезерование винтовых стружечных канавок фасонной дисковой фрезой; в) сборный резец с гнездом под пластину, смоделированный на основе аналитического расчета; г) резец с оптимальной геометрией задних поверхностей, полученный итерационным моделированием гнезда под пластину
При проектировании фасонных металлорежущих инструментов, работающих методом копирования, таких как фасонные резцы, дисковые фрезы, встает задача определения профиля исходной инструментальной поверхности и на ее основе оптимальной геометрии инструмента (рис.1, а). Также необходимо решать обратную задачу определения профиля обрабатываемой поверхности известным инструментом при известной схеме формообразования, в частности, при анализе возможности и точности обработки выбранным инструментом винтовых и затылованных поверхностей (рис.1, б).
Т.к. задний угол инструмента α>00, а в ряде случаев и передний угол γ отличен от нуля, размеры профиля изделия и инструмента не совпадают, что приводит к необходимости проведения коррекционных расчетов профиля фасонных резцов и фрез. Разновысотное и разнонаправленное расположение участков фасонной поверхности детали приводит к тому, что углы γ и α носят переменный характер вдоль профиля инструмента. Подобные задачи решаются посредствам анализа особенностей конструкции инструмента, условий контакта в процессе резания. Общий подход к моделированию фасонных инструментов, работающих методом копирования, следующий: находится исходное сечение обрабатываемой детали, определяющее координаты точки профиля инструмента, и с помощью средств 3D моделирования создаётся тело инструмента, направленное в соответствии с его геометрией. В результате получается совершенно точная исходная инструментальная поверхность, которая будет обеспечивать точную обработку.
Проектирование и изготовление сборного инструмента
Для сборного инструмента, где основным методом профилирования является метод следа и обработанный профиль поверхности получатся вершиной режущей кромки инструмента часто возникают проблемы с определением положения режущей пластины относительно плоскости резания, обеспечивающего правильные передние и задние углы инструмента. В данном случае необходимо определить положение опорных плоскостей под СНП, обеспечивающих правильный контакт вершины инструмента с обрабатываемой поверхностью и заданные задние углы в главной и вспомогательной секущих плоскостях.
Решение данной проблемы аналитическим методом для проходных и расточных резцов показало свою несостоятельность, т.к. модель инструмента построенная на основании расчета не обеспечила необходимые задние углы (рис.1, в). Данная задача была решена с помощью компьютерного моделирования методом итерационного подбора угла наклона опорной плоскости под пластину, обработка которой реализуется на фрезерных широкоуниверсальных и станках с ЧПУ, а угол наклона плоскости являются параметром настройки стола или фрезерной головки данного вида оборудования.
Программы для проектирования инструмента
Современные CAD-системы, такие, как T-Flex CAD, КОМПАС 3D, SolidWorks, позволяют решать данные задачи подготовки инструментального производства, а также позволяют в значительной мере реализовать автоматизированное проектирование инструмента без разработки сложных программ, используя только встроенные параметрические функции работы с векторной геометрией. Кроме визуализации всего процесса метод 3D проектирования позволяет:
- с точностью необходимой для производства определять параметры профиля и геометрии фасонного и сборного инструмента;
- решать обратную задачу по определению точности обработки смоделированным инструментом;
- на основе разработанной создавать другие унифицированные модели или использовать ее в комплексных системах СПИД (станок приспособление инструмент деталь);
- анализировать геометрию модели и давать рекомендации по ее совершенствованию;
- проводить анализ кинематики резания и снимаемого припуска;
- создавать на базе модели рабочие чертежи фасонного и сборного инструмента;
- с использованием постпроцессоров автоматически создавать программы для станков с ЧПУ для изготовления инструментов или пресс-форм для изготовления твердосплавных режущих пластин;
- путем импорта модели в пакеты конечно элементного расчета осуществлять анализ прочностных, вибрационных и тепловых характеристик инструмента и процесса резания в условиях, приближенных к реальным.
Проектирование металлорежущих инструментов является важным и ответственным процессом необходимым отечественной металлообрабатывающей промышленности.
