Способ обработки асферических поверхностей резанием и устройство для его осуществления

 

Изобретение относится к станкостроению и может быть использовано при обработке оптических поверхностей. Сущность способа состоит в том, что ось инструментального шпинделя смещена относительно рабочего шпинделя. Частоты вращения ра-, бочего и инструментального шпинделей относятся как 1:3, а направления их вращений совпадают: На оси инструментального шпинделя параллельно ей и установлен резец . Расстояния между осями рабочего шпинделя и инструментального шпинделя, а также между осью последнего и резцом изменяются по определенному временному закону, но при сохранении соотношения 2:1. 2 с.п. ф-лы, 5 ил.

СОВХОЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБПИК (я)5 В 23 В 5/40

ГОСУДАРСТВЕННОЕ ПАТЕНТНОЕ

ВЕДОМСТВО СССР (ГОСПАТЕНТ СССР) ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4948628/08 (22) 15.04.91 (46) 23.05.93, Бюл. ¹ 19 (71) Центральное .конструкторское бюро уникального приборостроения Научно-технического объединения АН СССР (72) С.P.AáóëüxàíoB и Л.Л.Досколович (56) Авторское свидетельство СССР

M. 1103947, кл, B 23 В 5/40, 1983. (54) СПОСОБ ОБРАБОТКИ АСФЕРИЧЕСКИХ ПОВЕРХНОСТЕЙ РЕЗАНИЕМ И УСТсРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ (57) Изобретение относится к станкостроению и может быть использовано при обраИзобретение относится к станкостроению и может быть использовано при получении оптических поверхностей на материалах, поддающихся сверхточной обработке резанием.

Целью изобретения является повышение производительности обработки зон асферических поверхностей, ограниченных двумя плоскостями, перпендикулярными оси симметрии асферической поверхности за счет исключения периодического врезания режущего инструмента в обрабатываемую поверхность.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе обработки асферических поверхностей резанием, при котором инструментальному шпинделю сообщают вращательное движение и согласованное с ним поступательное перемещение режущему инструменту в направлении перпендикулярном поверхности детали, а рабочему шпинделю с закрепленной на нем деталью сообщают круговую подачу, согласованную

„,, Я „„1816532 А1 ботке оптических поверхностей. Сущность способа состоит в том, что ось инструментального шпинделя смещена относительно рабочего шпинделя. Частоты вращения ра-, бочего и инструментального шпинделей относятся как 1:3, а направления их вращений совпадают. На оси инструментального шпинделя параллельно ей и установлен резец. Расстояния между осями рабочего шпинделя и инструментальнол> шпинделя, а также между осью последнего и резцом изменяются по определенному временному закону, но при сохранении соотношения

2:1. 2 с.п. ф-лы, 5 ил. р с поступательным перемещением режущего инструмента, отличающимся тем, что сооб- Я щают перемещение оси инструментального шпинделя и режущему инструменту в направлении перпендикулярном оси рабочего и шпинделя, при этом величина перемещения, QQ режущего инструмента в два раза меньше . д величины перемещения инструментального О шпинделя, кроме того частота вращения ра- у бочего шпинделя в три раза больше частоты вращения инструментального шпинделя и направления их вращения совпадают, Ю

Устройство, осуществляющее способ обработкиасферическихпоеерхностейреаанием., )3е содержащее станину с рабочим шпинделем д для крепления детали и инструментальный шпиндель с резцедержателем, несущим резец, установленный на станке и исполнительный механизм перемещения резца, при этом . инструментальный шпиндель установлен на станине с возможностью перемещения его оси посредством исполнительного механизма в плоскости перпендикулярной оси рабо1816532 чего шпинделя, резец установлен на резцедержателе с возможностью дополнительного перемещения посредством исполнительного механизма в плоскостях перпендикулярных оси рабочего шпинделя, Сущность изобретения состоит в том, что резцедержатель вместе с инструментом движется с помощью инструментального шпинделя по окружности радиусом r, которая катится без проскальзывания по окружности радиусом R. В случае, если отношение

R:r = 2.: 1, то любая фиксированная точка малой окружности описывает эллипс. Окружность радиуса R принадлежит поверхности вращающейся детали, укрепленной в шпинделе станка. При этом ось инструментального шпинделя параллельна оси рабочего шпинделя и смещена относительно последней на расстояние R+r. Если на оси инструментального шпинделя установить штангу длиной r, а нэ ее окончании установить резец, то при вращении инструментального и рабочего шпинделя резец будет описывать на поверхности детали эллипс.

При приращении по определенному закону величины R нэ М, à r íà hr, и присохранении соотношения (R+ ЛВ);(г+ hr) = 2:1 резец будет формировать эллипсы с увеличенны. ми большой и малой осью. В случае, если расстояние между осями рабочего и инструментального шпинделей б больше r, и при одинаковом направлении вращения и при сохранении соотношений их частот 1:3, на поверхности детали может быть сформирован эллипс, соответствующий некоторому уровню зоны: a=(R+ М)+д+г+ Лг (большая) полуось; д=(В+48) — d+ hr (меньшая). Таким образом, может быть сформирован любой эллипс. Если в этом случае сообщить перемещение резцу параллельное оси рабочего шпинделя и взаимоувязанное с приращениями и и Ьг, то на поверхности детали возможно формирование зон, представляющих из себя фрагмент асферической поверхности, ограниченное двумя плоскостями перпендикулярными оси симметрии асферической поверхности, например, эллиптического парэболлоида и сопряженной с цилиндрическими поверхностями, образующие которых параллельны оси симметрии асимметричной поверхности. Формирование таких зон микрорезанием имеет большое значение в металлооптике.

Предполагаемая совокупность признаков не была обнаружена авторами в известной научно-технической и патентной литературе, следовательно. заявляемое техническое решение соответствует критерию

"существенные отличия".

На фиг,1 изображена схема обработки зон асферических поверхностей в плоскости. проходящей через оси рабочего и инструментального Шпинделей; на фиг,2 — то же, в пространственной системе координат; на фиг.3 — схема расчета соотношения частот вращения рабочего и инструментального шпинделей; на фиг.4 — устройство для обработки зон асферических поверхностей: на

10 фиг,5 — вид сверху фиг,3.

На фиг;1 — 5 стрелка с обозначением Л соответствует поступательному перемещению режущего инструмента. круговая стрелка с обозначением S соответствует на"5 правлению круговой подачи инструментального шпинделя величиной S, круговая стрелка с обозначением и соответствует направлению вращения рабочего шпинделя с частотой и: стрелки с обозначением hR и Ь

20 соответствуют перемещению инструментальному шпинделя и перемещению резца относительно оси инструментального шпинделя, соответственно.

Устройство, осуществляющее способ

25 (фиг.4 — 5) содержит рабочий шпиндель t, обрабатываемую деталь 2. резец 3, резцедержатель 4, исполнительный механизм 5, ручной привод 6, инструментальный шпиндель 7, исполнительный механизм 8, ручной привод 9, стойка 10, станина устройства 11, исполнительный механизм 12 и ручной привод 13.

При этом деталь 2 крепится на рабочем шпинделе 1, установленном на станине 12, На станине 12 укреплена также стойка 10, несущая инструментальный шпиндель 7 и имеющая ручной привод 9 и исполнительный механизм 8 для ручного и автоматического перемещения инструментального

40 шпинделя 7 так, чтобы оси инструментального? и рабочего 1 шпинделей оставались параллельными, На оси вращения инструментального шпинделя 7 укреплен резцедержатель 4, несущий ручной 6 привод и

45 исполнительный механизм 5. На окончании резцедержателя 4 установлен резец 3, Ручной привод 6 и исполнительный механизм 5 предназначены для ручного и автоматического перемещения резца 3 в плоскости, проходящей через ось инструментального шпинделя 7. Исполнительный механизм 12 и ручной привод 13 предназначены для ручного и автоматического перемещения резца

3 в направлении, параллельном оси рабочего шпинделя 1, .Предлагаемый способ осуществляется следующим образом, Для обработки резанием зон эсферических поверхностей, например, лллиптиче1816532

М1 =а2 вн (1)

В1 — ВН

Однако в неподвижной системе координат тогда

07 1 = — — + 1 =-0 7н+1 (2)

С92 вн 5 или 07н=1 — 071 н (3) Допустим, что контактирующие окруж- ности, формируемые рабочим 1 и инструментальным 7 шпинделями, контактируют ского параболоида, ограниченных двумя параллельными плоскостями. перпендикулярными оси симметрии асферической поверхности (ось OY), необходимо. чтобы, 5 когда окончание режущей кромки резца 3 отстоит на наибольшее расстояние от оси вращения рабочего шпинделя 1, оси рабочего 1, инструментального 7 шпинделей и окончание режущей кромки резца 3 нахо- 10 дились в плоскости ZOY (фиг.1 — 2). Это необходимо в связи с тем, что при начале обработки зоны с ее большей границы требуется наименьшая глубина резания, которая в дальнейшем будет увеличиваться. 15

При этом ось инструментального шпинделя 7 должна отстоять от оси рабочего шпинделя,1 на расстояний r+R=3ã. Окончание режущей кромки резца 3 вращается относительно оси инструментального шпинделя 7 по 20 окружности радиусом r.. В этом случае при вращении детали 2 окончание режущей кромки резца 3 на поверхности детали 2 при расстоянии между окончанием резца 3 до оси вращения детали, равном R=2r, будет форми- 25 роваться направляющая окружность, При вращении оси инструментального щпинделя

7 с частотой на поверхности детали 2 образует производящую окружность радиусом r, ко.торая без проскальзывания катится по 30 образующей окружности. Поскольку R:r = 2:1, то проекция окончания режущей кромки резца 3 будет формировать на поверхности детали 2 эллипс с полуосями: a=R+r+(d) (большая), b=R — (d) (меньшая). Эллипс будет 35 сформирован, если частота вращения рабочего шпинделя 1(n) и второго инструментального шпинделя 7(S) относятся как 1:3.

Необходимость такого соотношения частот обусловлена тем, что, воспользовавшись те- 40 оремой Виллиса передаточное отношение от рабочего шпинделя 1 к инструменталькому относительно водила — звена, соединяющего центры вращения рабочего 1 и инструментального 7 шпинделей при кепод- 45 вижном водиле, равно: посредством зубчатого зацепления. При этом окружность, принадлежащая рабочему

1 шпинделю, характеризуется количеством зубьев Z1, э окружность, принадлежащая инструментальному 7 шпинделю, -27, Тогда

07 1 =;г7 (4) Z1 Z7+Z1

07н=1 + — =

Z7 27 (5) 27

Или 0н7 (6) Однако, как были ранее установлено, формирование эллипса на поверхности детали 2, возможно при соотношении радиусов R:ã=2:1. Это соотношение определяет и соотношение 27:21=2:1, тогда (6) запишется

27 1

27+227 3 (7) Откуда следует, что соотношение частот вращений рабочего 1(n) и инструментального 7 (S) шпинделей должно составлять: (8) n=3 S.

При выполнении соотношения (8) воз можно формирование эллипсов на поверхности детали 2 ке только с полуосями, равными

a=R+2r (большая полуось) и д=В (меньшая полуось), Если окончание режущей кромки резца 3, установленного на реэцедержателе

4, отстоит от оси инструментального шпинделя 7 на расстояние d большее r, тогда величина большой полуоси эллипса a=R+r+d, а малой полуоси b=R — (d — r). Таким образом, может быть существенно расширена номенклатура формируемых на поверхности детали 2 эллипсов.

Для обработки резанием зон асферических поверхностей, например, для обработки зон эллиптического параболоида, имеющего в сечениях плоскостей параллельных плоскоI

Допущение о контакте окружностей, принадлежащем рабочему 1 и инструментальному 7 шпинделю, посредством зубчатого зацепления правомерно потому, что образование-циклоиды возможно лишь в том случае, когда между контактирующими окружностями отсутствует проскальзывание, Отсюда следует также, что направление вращения рабочего 1 и инструментального 7 шпинделей должны совпадать.

В этом случае (3) примет вид

1816532

r сти Z0Y параболы Z =ау, в сечениях плоскостей параллельных плоскости ZOX параболы Х =- ду, необходимо сообщить резцу 3 перемещение А согласованное с частотами и и S, а также с параметрами асферично- 5 сти формируемой поверхности. Кроме того есть возможность изменять в динамике процесса резания параметры Ь и ЛВ. Для того, чтобы оставалось постоянным =2:1, необходимо, чтобы выполнялось условие 10 г (R+hR);(r+hr)=2:1 - Ля=2 Ь. (9) Таким образом, изменяя R, г согласно соотношения (9), можно обеспечить переме- 15 щение резца 3 вокруг эллипса, соответствующего одной из границ зоны, по спиральной

I линии. В этом случае (при ЛЯ=ЯМ, hr 2Sgt,, а координаты окончания резца 3 в системе координат (Z, Х) на фиг,1-2 запишутся, 20

X=(R+2r)cos(r)+S)t — d (".os (n+S)t;

R.+ 2r г

Z+(R+2r)sin(n+S)t-rt(sin — — (n+S)t. (10)

R +2r 25

Здесь.d — расстояние между резцом 3 и осью инструментального шпинделя 7. Перемещение Л резца 3 должно быть в таком 30 случае равно расстоянию от плоскости ZOX . до поверхности вращающегося эллиптического параболоида

y Xcosnt} + Zstnn t г г 35

rp rg где H — смещение эллиптического параболоида относительно выбранной системы координат. Подставляя (10) и (11), найдем Y= А

Таким образом для каждого момента времени т найдено необходимое перемещение резца 3 Л.

При таком способе резания обеспечива- 45 ется высокая производительность обработки зон, представляющих иэ себя фрагмент асферической поверхности, ограниченный двумя параллельными плоскостями, перпендикулярными оси симметрии асферической поверхности.

Устройство работает следующим образом, На рабочем шпинделе 1, фиксиру)от деталь 2 и сообщают рабочему шпинделю 1 вращение с частотой и. После этого сообщают вращение инструментальному шпинделю 7 с частотой S=3n, предварительно сместив параллельно его ось относительно оси рабочего шпинделя на расстояние 3r, При этом окончание режущей кромки резца

3 должно быть смещено на резцедержателе

4 относительно оси ин струме нтал ьного шпинделя на расстояние d. Перед началом вращения инструментального шпинделя 7 окончание режущей кромки резца 3 выводится на большую из границ зоны, принадлежащих плоскости детали 2. Одновременно с началам вращения инструментального шпинделя 7 резец 3 вводят в контакт с поверхностью детали 2 ручным приводом 13 и сообщают резцу поступательное перемещение Ь, согласованное с величинами hR Ь, Величина ЛН вЂ”,соответствует увеличению

R посредством привода 8, Величина Лгсоответствует увеличению r посредством привода 5. Перед включением рабочего 1 и инструментального 7 шпинделей величины

r u R устанавливаются ручными приводами

6 и 9, соответственно, Перемещение Ь, согласованное с Ь, ЛR, а также согласованное с параметрами асферичности зоны.

Обработка зоны может осуществляться в несколько проходов до тех пор, пока не будут достигнуты все необходимые геометрические параметры.

Согласованное с hR, Ь и и перемещение резца 3 Л предварительно табулируется с необходимой точностью, после этого заносится в запоминающее устройство (не показано), которое с необходимой частотой выдает сигнал на исполнительный механизм 4. В качестве запоминающего устрой-. ства можно испольэовать, например, постоянное запоминающее устройство (ПЗУ) типа К556 РТ4, РТ5. Указанные микросхемы могут быть запрограммированы на стандартном программаторе на базе ПВМ, Выход ПЗУ соединен с цифровым аналоговым преобразователем, управляющим исполнителbHblM механизмом 4.

Наиболее целесообразным, вариантом реализации исполнительных механизмов 4, 5 и 8 ввиду небольших (в пределах сотен микрон) линейных перемещений является исполнение в виде прецизионного двигателя малых перемещений, например, пьезоэлектрических или электрогидравлического, что обеспечивает его высокую жесткость, точность и быстродействие.

Для вращения рабочего 1 и инструментального 7 шпинделей целесообразно использовать высокомоментные электроприводы, Оснащение устройства электроприводами и пьезо- или гидравлическими приводами позволяет наиболее просто реализовать предлагаемый способ. При этом предлагаемая реализация способа сводит к минимуму длину кинематической цепи, чем эначитель1816532

25

40

О но повышает жесткость. точность и быстродействие работы и исполнительных механизмов 3, 5 и 8, что в конечном итоге повышает точность обработки поверхностей.

Ручные приводы 13, 6 и 9 устройства предназначены для предварительной настройки. определяемой геометрическими параметрами обрабатываемой зоны.

Для контроля величины перемещений Л, hr u hR в зависимости от требуемой точности могут быть использованы фотоэлектрические датчики или интерферометры.

Соотношение частот вращения рабочего 1 и инструментального 7 шпинделей п=3$ может быть осуществлено оптоволоконными или электромагнитными частотометрами, Преимуществом способа обработки зон асферических поверхностей резанием и устройством для его реализации является отсутствие регулярного врезания резца в обрабатываемую поверхность, что повыша" ет стойкость резца, а это в свою очередь повышает производительность обработки в сравнении с прототипом при.обработке асферических поверхностей на 25-33%. Кроме того преимуществом способа обработки зон асферических поверхностей резанием и устройство для его реализации являются высокие характеристики по точности и шероховатости обработки, а также высокая производительность обработки. Фрагменты асферических поверхностей, изготовленные заявляемым способом имеют погрешность формы нв хуже 0,8 мкм и шероховатость не более Ra 0,03 мкм. Обработка таких поверхностей с аналогичным качеством и производительностью не может обеспечить прототип.

Формула изобретения

1. Способ обработки асферических поверхностей резанием, при котором инстру-. ментальному шпинделю сообщают вращательное движение и согласованное с ним поступательное перемещение режущему инструменту в направлении. перпендикулярном поверхности детали, а рабочему шпинделю с закрепленной на нем деталью сообщают круговую подачу, согласованную

5 с поступательным перемещением режущего инструмента,отлича ющийся тем,что, с целью повышения производительности обработки зон асферических поверхностей, ограниченных двумя плоскостями, перпен10 дикулярными оси симметрии асферической поверхности, за счет исключения периодического врезания режущего инструмента в обрабатываемую поверхность, сообщают перемещение инструментальному шпинделю и режущему инструменту в направлении, перпендикулярном оси рабочего шпинделя, при этом величина перемещения режущего. инструмента в два раза меньше величины перемещения инструментального шпинде. ля, при этом частота вращения рабочего шпинделя в три раза больше частоты вращения инструментального шпинделя, а направления их вращения совпадают.

2. Устройство для обработки асферических поверхностей резанием, содержащее станину с рабочим шпинделем для креплвния детали и инструментальный шпиндель с резцедержателем, несущим резец, установленный на станине, отл ич а ю ще вся тем, что, с целью повышения производительности обработки асферических поверхностей, ограниченных двумя плоскостями, перпендикулярными оси симметрии асферической поверхности, за счет исключения периодического врезания резца в обрабатываемую поверхность, устройство снабжено исполнительным механизмом привода инструментального шпинделя, установленного на станине с возможностьюперемещения в плоскости, перпендикулярной оси рабочего шпинделя, и исполнительным механизмом привода резцедержателя, установленного на инструментальном шпинделе с возможностью перемещения в плоскостях, перпендикулярных оси рабочего шпинделя.

1816532

1816532

ФигЗ

1816532

Составитель С, Абульханов

Техред M,Ìîðãåíòàë . Корректор О. Кравцова

Редактор Т. Иванова

Производственно-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул, Гагарина, 101

Заказ 1695 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5