Способ обработки поверхности второго порядка и устройство для его осуществления

 

Изобретения относятся к области машиностроения и могут быть использованы при обработке поверхностей второго порядка, образованных вращением выпуклой или вогнутой кривой второго порядка вокруг оси ее симметрии. Обработку ведут на трехкоординатном станке вращающимся режущим инструментом за серию проходов с аппроксимацией поверхности второго порядка, которую осуществляют с заданной точностью набором окружностей, расположенных в мидельных сечениях поверхности второго порядка. В каждом проходе заготовку обрабатывают по дугам упомянутых окружностей. Движение формообразования производят согласованными одновременными подачами инструмента и заготовки в двух взаимно перпендикулярных направлениях. Соотношение подач инструмента и заготовки определяют по изменению координат периферийной точки режущей кромки инструмента, лежащей на дуге окружности, исходя из приведенной зависимости. Обрабатываемую заготовку устанавливают на подставке, оснащенной элементами крепления и регулировки заготовки в пространстве и закрепленной на столе. Стол установлен с возможностью программируемых непрерывной и дискретной подач по одной координате. В результате обеспечивается повышение точности обработки поверхности второго порядка, уменьшение износа инструмента и сокращение технологического времени обработки. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретения относятся к технологии изготовления изделий с поверхностью двойной кривизны, преимущественно в антенной технике при обработке рабочей поверхности отражательных щитов зеркальных антенн и матриц для их изготовления, а также в гелиотехнике при изготовлении фацет двойной кривизны, особенно при изготовлении неосесимметричных высечек из поверхностей второго порядка, образованных вращением линий второго порядка относительно оси симметрии, крупногабаритных зеркал диаметром более 5 м.

Известна технология обработки поверхности второго порядка на крупногабаритных заготовках на токарно-карусельных станках /Технология конструкционных материалов: Учебник для машиностроительных специальностей вузов. А.М. Дальский, И.А.Арутюнова и др.; Под общей редакцией А.М.Дальского. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Машиностроение, 1985. с. 303-304/, при которой заготовку устанавливают на круглом горизонтальном столе карусели с вертикальной осью вращения, а обработку поверхности второго порядка ведут резцом, перемещающимся в вертикальной плоскости по двум координатам. Недостатками указанной технологии являются: - ограничение по размерам обрабатываемой заготовки /диаметр карусели равен 0,5-21 м/; - уникальность и дороговизна оборудования, имеющегося в наличии в единичных экземплярах; - при обработке неосесимметричной высечки из поверхности второго порядка возникает значительный холостой ход карусели, особенно, если размеры высечки несколько метров, а расположена она в периферийной части поверхности второго порядка, диаметр которой составляет десятки метров.

Известна также технология изготовления матрицы двойной кривизны при помощи, так называемой, "горки" /Поляк В. С. , Бервалдс Э.Я. Прецизионные конструкции зеркальных радиотелескопов: Опыт создания, проблемы анализа и синтеза. - Рига: Зинатне, 1990, с. 271/ - специальной оснастки для изготовления контрматриц щитов, отражающие поверхности которых должны быть выполнены в виде вырезок из параболоида вращения. "Горки" представляют собой имитатор секториальной вырезки из параболоида вращения по одному щиту каждого типа, т.е. контрматрицу для всех типов щитов. Формируется она из специальной мастики, армированной металлическим каркасом, с помощью вращающегося флаг-шаблона, рабочая кромка ножей которого выполнена по образующей параболе отражающей поверхности. Используя контрматрицу как форму, изготавливают /ненапряженным способом/ соответствующие типы матриц из той же специальной мастики. Приведенному способу также присущи указанные выше недостатки. Кроме того, точность изготовления рабочей поверхности двойной кривизны осенесимметричных высечек, особенно периферийных, в значительной степени зависит от радиуса флаг-шаблона и при больших его размерах она существенно ниже точности, полученной обработкой резанием на станках.

Способ обработки поверхности второго порядка, образованной вращением выпуклой или вогнутой кривой второго порядка вокруг оси ее симметрии, включающий обработку заготовки вращающимся режущим инструментом за серию проходов с аппроксимацией указанной поверхности второго порядка, при этом в каждом из проходов обеспечивают движение формообразования, а после окончания каждого прохода - дискретное перемещение (SU 1033270 А, 07.08.1983, B 23 C 3/16) [1] .

Указанный способ имеет следующие недостатки: 1. Так как обработка ведется за серию проходов вращающимся режущим инструментом по образующим в меридиональных плоскостях заготовки, то расстояние между двумя смежными проходами изменяется от нуля (на оси симметрии поверхности) до максимума (на периферийной кромке). В результате того, что диаметр режущей части инструмента постоянен в процессе обработки, то обработка участков двух смежных проходов от периферии к центру будет осуществляться с перекрытием, увеличивающимся от периферийной части поверхности к оси симметрии. Так, при обработке поверхности от центра к периферии или наоборот величина перекрытия достигнет как минимум двойного значения (в случае, если длина стороны периферийного многоугольника равна диаметру режущей части инструмента). Таким образом увеличивается количество проходов и, как следствие, машинное время обработки поверхности.

2. В процессе обработки поверхности второго порядка к четырем общим с предлагаемым техническим решением движениям (вращение инструмента, его перемещение по двумя координатам и перемещение заготовки по третьей координате) добавляется пятое - поворот заготовки относительно оси, параллельной ее оси симметрии, что увеличивает технологическую погрешность и снижает точность обработки поверхности.

3. Формообразование обрабатываемой поверхности второго порядка осуществляется серией проходов инструмента по образующим в меридиональных плоскостях заготовки, представляющих кривые второго порядка, как правило это парабола или гипербола, движение инструмента по которым организовать сложнее, чем по окружности.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому устройству (прототипом) является устройство для обработки поверхности второго порядка, образованной вращением выпуклой или вогнутой кривой второго порядка вокруг оси ее симметрии, содержащее трехкоординатный станок с вращающимся режущим инструментом и столом, установленными с возможностью программируемых непрерывной и дискретной подач для обработки заготовки за серию проходов, и подставку с элементами крепления и регулировки заготовки в пространстве, жестко смонтированную на столе (SU 1033270 A, 07.08.1983, В 23 C 3/16).

Указанное устройство имеет следующие недостатки; 1. Для обеспечения формообразования поверхности устройство дополнительно снабжено механизмом поворота горизонтального стола при обработке вогнутой поверхности и поворотным кругом при обработке выпуклой поверхности, что усложняет конструкцию устройства, снижает его кинематическую точность и, соответственно, увеличивает технологическую погрешность обработки поверхности второго порядка, снижая ее точность.

2. Программируемая подача торцевой фрезы при обработке вогнутой поверхности и программное перемещение в своей плоскости горизонтального стола при обработке выпуклой поверхности по параболическому /или гиперболическому/ профилю усложняет разработку программы и увеличивает ее объем по сравнению с движением по окружности.

3. Обработка поверхности второго порядка с требуемой точностью торцевой цилиндрической фрезой требует либо изменения ее угла /до совпадения оси вращения с нормалью к поверхности в месте обработки/, либо увеличения количества проходов для обеспечения той же точности, либо их комбинации, что усложняет устройство для обработки поверхности или увеличивает машинное время обработки.

4. В результате одинаковых формообразующих движений торцевой цилиндрической фрезы /по параболе, гиперболе и т.д./ неизбежно происходит ее износ, приводящий не только к снижению точности обрабатываемой поверхности второго порядка, но и к росту силы резания из-за работы затупившимся инструментом. Соответственно увеличиваются составляющие силы резания, что вызывает повышенную деформацию заготовки и инструмента и еще более снижает точность и изменяет форму обработанной поверхности заготовки. Увеличиваются глубина наклепанного поверхностного слоя материала заготовки и силы трения между заготовкой и инструментом, что, в свою очередь, увеличивает теплообразование в процессе резания. Учет износа программой подачи инструмента или горизонтального стола лишь частично снижает его влияние на точность, но, в свою очередь, усложняет разработку программы и увеличивает ее объем, а также требует проведения экспериментальных проверок. Смена же инструмента между проходами приведет не только к рассеиванию размеров обработанных поверхностей, но и к увеличению времени обработки заготовки.

Изобретения направлены на повышение точности обработки поверхности второго порядка, упрощение способа ее обработки, управляющей программы и устройства для их реализации, а также на уменьшение износа инструмента и сокращение технологического времени обработки.

Поставленная задача решается тем, что в известном способе обработки поверхности второго порядка, образованной вращением выпуклой или вогнутой кривой второго порядка вокруг оси ее симметрии, включающем обработку заготовки вращающимся режущим инструментом за серию проходов с аппроксимацией указанной поверхности второго порядка, при этом в каждом из проходов обеспечивают движение формообразования, а после окончания каждого прохода - дискретное перемещение, согласно изобретению, перед обработкой заготовку устанавливают с расположением оси симметрии поверхности второго порядка параллельно оси вращения инструмента, аппроксимацию указанной поверхности производят с заданной точностью набором окружностей, расположенных в ее мидельных сечениях, обработку заготовки в каждом проходе ведут по дугам упомянутых окружностей, обеспечивая движение формообразования согласованными одновременными подачами инструмента и заготовки в двух взаимно перпендикулярных направлениях, при этом результирующую подачу в формообразующем движении инструмента направляют по касательной к дуге окружности, после окончания каждого прохода дискретно перемещают инструмент и заготовку, соответственно, вдоль оси вращения инструмента и вдоль направления подачи заготовки для обработки по дуге окружности следующего мидельного сечения, при этом соотношение подач инструмента и заготовки определяют по изменению координат периферийной точки режущей кромки инструмента, лежащей на дуге окружности, исходя из следующей зависимости: X_i² + Y_i² = R_i², где X_i - координата продольного перемещения заготовки в i-м переходе; Y_i - координата поперечного перемещения инструмента в i-м проходе; R_i - радиус окружности мидельного сечения теоретической поверхности в i-м проходе,
и обеспечивают точность обработки поверхности путем дискретного задания координат точек, принадлежащих кривой второго порядка, соответствующих значениям радиусов окружностей и координатам осевых перемещений инструмента Z_i для i-го прохода, которые определяют из уравнения кривой второго порядка.

В известном устройстве для обработки поверхности второго порядка, образованной вращением выпуклой или вогнутой кривой второго порядка вокруг оси ее симметрии, содержащем трехкоординатный станок с вращающимся режущим инструментом и столом, установленными с возможностью программируемых непрерывной и дискретной подач для обработки заготовки за серию проходов, и подставку с элементами крепления и регулировки заготовки в пространстве, жестко смонтированную на столе, согласно изобретению, стол установлен с возможностью программируемых непрерывной и дискретной подач по одной координате, а вращающийся режущий инструмент - с возможностью программируемых непрерывной и дискретной подач, соответственно второй и третьей координатам, последняя из которых совпадает с осью вращения инструмента, при этом инструмент выполнен с режущей частью в форме полусферы, расположенной по оси инструмента с возможностью обката по дуге окружности, образованной соответствующим мидельным сечением поверхности второго порядка с осью симметрии, параллельной оси вращения инструмента, при одновременных непрерывных и согласованных подачах инструмента и стола по первым двум координатам станка, точка контакта сферической поверхности режущей части инструмента и обрабатываемой поверхности заготовки расположена на общей нормали полусферы и кривой второго порядка в точке ее пересечения с упомянутой дугой окружности, полусфера выполнена с радиусом, не превышающим радиус наибольшей кривизны кривой второго порядка на обрабатываемом участке, а точность обработки связана с геометрическими параметрами вращающегося режущего инструмента и обрабатываемой поверхности второго порядка следующими отношениями:


где σ₁, σ₂ - величины соответствующих отклонений обрабатываемых вогнутой и выпуклой поверхностей от теоретических;
ρ - радиус кривизны образующей кривой второго порядка между двумя смежными проходами;
r - радиус сферической поверхности вращающегося режущего инструмента;
A - расстояние между центрами сферических поверхностей вращающегося режущего инструмента в двух смежных проходах, лежащее в диапазоне 0 < A ≅ 2r.

Режущая часть вращающегося режущего инструмента выполнена в виде пакета из дисковых фрез, режущие кромки зубьев которых расположены на поверхности полусферы.

На чертежах приведено схематическое изображение устройства, реализующего способ.

На фиг. 1 представлена схема расположения обрабатываемого участка на поверхности второго порядка.

На фиг. 2 изображен процесс обработки поверхности второго порядка на продольно-фрезерном станке.

На фиг. 3 показано взаимное расположение вращающегося режущего инструмента и меридиональнаго профиля обрабатываемой поверхности второго порядка.

На фиг. 4 показана расчетная схема погрешности обработки вогнутой поверхности второго порядка.

На фиг. 5 показана расчетная схема погрешности обработки выпуклой поверхности второго порядка.

Устройство включат в себя трехкоординатный станок 1 с вращающимся режущим инструментом с полусферической рабочей поверхностью 2 и столом 3, выполненными с возможностью программируемых непрерывной подачи по двум координатам и дискретной подачи по третьей координате, и подставку 4, жестко установленную на столе 3 с элементами крепления и регулировки заготовки 5 в пространстве относительно обрабатываемого за серию проходов 6 инструментом 2 участка, ограниченного контурными линиями 7, 8, 9, 10, поверхности второго порядка 11, образованной вращением линии второго порядка 12 вокруг оси симметрии OZ_o.

Способ реализован следующим образом. На горизонтальном столе 3 трехкоординатного станка 1 с ЧПУ с помощью подставки 4 под углом к горизонту α_ср устанавливают относительно обрабатываемого участка, ограниченного линиями 7, 8, 9, 10, поверхности второго порядка 11, образованной вращением линии второго порядка 12 вокруг ее оси симметрии OZ_o /Беклемишев Д.В. Курс аналитической геометрии и линейной алгебры. - 5 изд., переработ. - М.: Наука. Главная редакция физико-математической литературы, 1984, с. 100-101/, обрабатываемую заготовку 5, причем угол α_ср образован осью OX_o и хордой, проходящей через середины дуг окружностей радиусом R₁ и R_i обрабатываемого участка поверхности 11. Затем ведут обработку заготовки 5 вращающимся режущим инструментом 2 со сферической рабочей поверхностью, ось вращения которого параллельна оси OZ_o по программам, основанным на методах круговой и линейной интерполяций. В результате согласованных одновременных подач инструмента 2 по оси OY_o и заготовки 5 по оси OX_o получают результирующую подачу формообразующего движения инструмента, направленную по касательной к дуге окружности 6, полученной мидельным сечением поверхности 12, при этом соотношение подач инструмента 2 и заготовки 5 определяют по изменению координат точки контакта между сферической и обрабатываемой поверхностями, лежащей на общей нормали NN полусферы 2 и кривой второго порядка 12 в точке ее пересечения с дугой окружности 6, образованной соответствующим мидельным сечением поверхности второго порядка 11 из зависимости
X_i² + Y_i² = R_i²,
где X_i - координата продольного перемещения заготовки в i-м проходе;
Y_i - координата поперечного перемещения инструмента в i-м проходе;
R_i - радиус окружности мидельного сечения теоретической поверхности в i-м проходе.

Обработку заготовки 5 в первом проходе ведут по дуге 6 радиусом R₁ с вертикальной координатой Z₁. После его окончания инструмент 2 дискретно по программе перемещают вдоль оси его вращения, параллельной вертикальной оси OZ_o, на величину Z₂ - Z₁, а заготовку 5 вдоль оси OX_o на величину R₂ - R₁, где Z₂ и R₂ - соответственно вертикальная координата и соответствующий ей радиус дуги формообразующей окружности, образованной следующим мидельным сечением поверхности 11 на расстоянии Z₂ от ее вершины во втором проходе. Затем обработка ведется по программе для радиуса R₂ и заканчивается обработкой по дуге радиусом R_i с соответствующей вертикальной координатой Z_i в i-м проходе. При необходимости, предварительно перед чистовой обработкой поверхности может быть проведена черновая по соответствующей программе, также основанной на методах круговой и линейной интерполяций аналогично чистовой.

Точность обработки зависит от геометрических параметров вращающегося режущего инструмента 2 и обрабатываемой поверхности второго порядка 11 и определяется из соотношений:


где σ₁, σ₂ - величины соответствующих отклонений обрабатываемых вогнутой и выпуклой поверхностей от теоретических;
ρ - радиус кривизны образующей кривой второго порядка между двумя смежными проходами;
r - радиус сферической поверхности вращающегося режущего инструмента;
A - расстояние между центрами сферических поверхностей вращающегося режущего инструмента в двух смежных проходах, лежащее в диапазоне 0 < A ≅ 2r.

Указанные соотношения выведены следующим образом. Из построений, представленных на фиг. 4, очевидно, что σ₁= ρ-FB-BD, при этом


Из построений, представленных на фиг. 5, очевидно, что σ₂= FB-ρ-BD, при этом


Режущая часть инструмента 2 в виде соосной с его осью вращения полусферы может быть выполнена как цельной, так и в виде пакета дисковых фрез, режущие кромки зубьев которых лежат на ее поверхности.

Проиллюстрируем реализацию предлагаемых способа и устройства на следующем примере.

Требуется обработать вогнутую и выпуклую поверхности, например, высокоточных отражательного щита рефлектора с рабочей поверхностью второго порядка /сфера, парабола и др./ и матрицы для изготовления отражательных щитов методом формования. При этом точность обработки должна быть не хуже 0,08 мм для рабочей поверхности щита и не хуже 0,005 мм для рабочей поверхности матрицы. Радиус кривизны поверхности второго порядка, например, сферы ρ равен 3000 мм. Форма щита /матрицы/ неосесимметричная высечка из поверхности второго порядка.

Обработку ведем, например, на продольно-фрезерном станке с ЧПУ модели 6М616 /фиг. 2/ с размерами рабочего стола 1600х5000 мм и максимальной высотой обрабатываемой детали 1200 мм. Программы обработки составляются, как было указано выше, на основе методов круговой и линейной интерполяций.

Принимаем радиус сферической поверхности r вращающегося режущего инструмента равным 75 мм, а расстояние A между центрами сферических поверхностей вращающегося режущего инструмента в двух смежных проходах равным 6 и 1,5 мм /фиг. 4, 5/ соответственно при обработке щита и матрицы, тогда


что вполне приемлемо при изготовлении высокоточных отражательных щитов и матриц для зеркальных антенн и гелиоконцентраторов.

Применение указанного способа и устройства позволяет повысить эффективность обработки за счет повышения ее точности и упрощения конструкции устройства.

Приведенная технология механической обработки рабочей поверхности второго порядка позволяет применить круговую интерполяцию с шаговым изменением радиуса дуги окружности прохода и высоты ее уровня относительно вершины поверхности второго порядка, что существенно упрощает управляющую программу, особенно при обработке параболической поверхности.

Формула изобретения

1. Способ обработки поверхности второго порядка, образованной вращением выпуклой или вогнутой кривой второго порядка вокруг оси ее симметрии, включающий обработку заготовки вращающимся режущим инструментом за серию проходов с аппроксимацией указанной поверхности второго порядка, при этом в каждом из проходов обеспечивают движение формообразования, а после окончания каждого прохода - дискретное перемещение, отличающийся тем, что перед обработкой заготовку устанавливают с расположением оси симметрии поверхности второго порядка параллельно оси вращения инструмента, аппроксимацию указанной поверхности производят с заданной точностью набором окружностей, расположенных в ее мидельных сечениях, обработку заготовки в каждом проходе ведут по дугам упомянутых окружностей, обеспечивая движение формообразования согласованными одновременными подачами инструмента и заготовки в двух взаимно перпендикулярных направлениях, при этом результирующую подачу в формообразующем движении инструмента направляют по касательной к дуге окружности, после окончания каждого прохода дискретно перемещают инструмент и заготовку, соответственно, вдоль оси вращения инструмента и вдоль направления подачи заготовки для обработки по дуге окружности следующего мидельного сечения, при этом соотношение подач инструмента и заготовки определяют по изменению координат периферийной точки режущей кромки инструмента, лежащей на дуге окружности, исходя из следующей зависимости:
X_i² + Y_i² = R_i²,
где X_i - координата продольного перемещения заготовки в i-ом переходе;
Y_i - координата поперечного перемещения инструмента в i-ом проходе;
R_i - радиус окружности мидельного сечения теоретической поверхности в i-ом проходе,
и обеспечивают точность обработки поверхности путем дискретного задания координат точек, принадлежащих кривой второго порядка, соответствующих значениям радиусов окружностей R_i и координатам осевых перемещений инструмента Z_i для i-го прохода, которые определяют из уравнения кривой второго порядка.

2. Устройство для обработки поверхности второго порядка, образованной вращением выпуклой или вогнутой кривой второго порядка вокруг оси ее симметрии, содержащее трехкоординатный станок с вращающимся режущим инструментом и столом, установленными с возможностью программируемых непрерывной и дискретной подач для обработки заготовки за серию проходов, и подставку с элементами крепления и регулировки заготовки в пространстве, жестко смонтированную на столе, отличающееся тем, что стол установлен с возможностью программируемых непрерывной и дискретной подач по одной координате, а вращающийся режущий инструмент - с возможностью программируемых непрерывной и дискретной подач соответственно по второй и третьей координатам, последняя из которых совпадает с осью вращения инструмента, при этом инструмент выполнен с режущей частью в форме полусферы, расположенной по оси инструмента с возможностью обката по дуге окружности, образованной соответствующим мидельным сечением поверхности второго порядка с осью симметрии, параллельной оси вращения инструмента, при одновременных непрерывных и согласованных подачах инструмента и стола по первым двум координатам станка, точка контакта сферической поверхности режущей части инструмента и обрабатываемой поверхности заготовки расположена на общей нормали полусферы и кривой второго порядка в точке ее пересечения с упомянутой дугой окружности, полусфера выполнена с радиусом, не превышающим радиус наибольшей кривизны кривой второго порядка на обрабатываемом участке, а точность обработки связана с геометрическими параметрами вращающегося режущего инструмента и обрабатываемой поверхности второго порядка следующими соотношениями:


где σ₁, σ₂ - величины соответствующих отклонений обрабатываемых вогнутой и выпуклой поверхностей второго порядка от теоретических;
ρ - радиус кривизны образующей поверхности второго порядка между двумя смежными проходами;
r - радиус сферической поверхности режущей части вращающегося режущего инструмента;
А - расстояние между центрами сферических поверхностей вращающегося режущего инструмента в двух смежных проходах, лежащее в диапазоне 0 < А ≅ 2r.

3. Устройство по п.2, отличающееся тем, что режущая часть вращающегося режущего инструмента выполнена в виде пакета из дисковых фрез, режущие кромки зубьев которых расположены на поверхности полусферы.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5