Производство борфрез в РФ: исторические, теоретические и технологические аспекты

Размещено на http://www.allbest.ru/

Производство борфрез в РФ: исторические, теоретические и технологические аспекты

В.В. Истоцкий,

В.Б. Протасьев,

А.Е. Виноградов

Аннотация

Рассмотрены четыре этапа развития производства борфрез. Акцентировано внимание на ключевых моментах развития технологических процессов и обстоятельств, влияющих на их совершенствование. Сформированы перспективы развития этих инструментов.

Ключевые слова: машиностроение, производство, борфреза.

В производстве борфрез исторически, можно выделить четыре этапа, каждый из которых отражал практические и теоретические возможности соответствующего отрезка времени.

Профессор И.И. Семенченко [1] считает борфрезы прародителями всех фрезерных инструментов. Показывая эскиз так называемой "земляники" (рис. 1), он одновременно указывает, что зубья инструмента образуются насеканием с помощью зубила ручным способом, и что русское название инструмента ("земляника"), доказывает сопричастность к его производству русских инструментальщиков.

Рис. 1. Старинная фреза - "земляника". 1 - режущая часть; 2 - приводной шкив; 3 - приводной вал

На первом этапе не стоял вопрос о нормировании параметров инструментов, они более эксклюзивные, как и оружие, при изготовлении которого они использовались.

Важную роль в обеспечении работоспособности борфрез играло мастерство насекальщика зубьев - он интуитивно, основываясь на своём опыте, выбирая место расположения зубьев, их направленность и геометрию, выполнял условия профилирования, которым сейчас уделяется особое внимание в инструментальном производстве.

Высокое качество русского огнестрельного и холодного оружия косвенно свидетельствует о совершенстве используемого режущего инструмента. борфрез насекальщик инструмент

Второй этап характеризуется формирование зубьев с использованием фрезерных операций. Из-за сложности приспособлений, применяемых для обработки зубьев, борфрезы изготавливаются, в основном, прямозубыми.

Такая технология снижала качество инструментов, поскольку прямые зубья не обеспечивают равномерность процесса резания и приходилось снижать частоту вращения инструментов, но её положительной стороной стала возможность использования для обработки зубьев фрез с диаметрами, порядка 50…80 мм, что обеспечивало их достаточную стойкость.

Борфрезы изготавливались из инструментальных сталей. После фрезерования зубьев выполнялась термообработка (закалка), позволяющая обеспечить твёрдость до HRC 60…62. В целом, производство отличалось высокой трудоёмкостью и нестабильностью. Изготовление винтовых зубьев вызывало многочисленные трудности, начиная с того, что теории профилирования, доступной для практического применения не существовало (она появилась [2] в 60…70-ых годах 20-го века), и заканчивая кинематической сложностью и недостаточной жёсткостью станочных приспособлений.

Для выполнения винтовых зубьев была только одна возможность - уменьшение диаметров фрез, используемых для формирования зубьев. Это было тупиковое направление, но инструментальная промышленность СССР в годы Отечественной войны всё-таки обеспечила выпуск борфрез, решив эту задачу, большим количеством инструментов, чем их качеством.

Третий этап связан с появлением твёрдых сплавов и необходимостью его использования при изготовлении борфрез. Шлифование зубьев "по целому" было практически неприемлемо - алмазные круги не отличались достаточным качеством, имелся дефицит в этих инструментах и способов правки алмазных кругов, то есть восстановления их профиля при износе, доступных для широкого использования не было разработано. Использование твёрдых сплавов тем не менее способствовало скачкообразному повышению объёмов производства борфрез. Причинами послужил и неограниченный спрос на продукцию и, главное, возможность обработки зубьев на так называемых пластифицированных заготовках. Такие заготовки с низкой прочностью, но достаточной для формирования зубьев, позволяли производительно формировать зубья на режущей части инструментов, а потом "докатать" их до требуемой твёрдости 87…90 HRA.

Такие борфрезы получили неофициальное название "чёрных" и они в 50…60-ых годах прошлого века производились в серийных объёмах на многих машиностроительных предприятиях СССР и своим качеством, соответствовали действующим тогда стандартам и ТУ.

В СССР, а далее в РФ несомненны приоритет в производстве "чёрных" борфрез принадлежит Серпуховскому инструментальному заводу (СИЗ), который освоил массовое производство этих инструментов с помощью оригинальных копировальных приспособлений на универсально-заточных станках, где вместо шлифовальных кругов устанавливались фрезы с диаметром более 20 мм.

СИЗ не только грамотно организовал производство, но и популяризовал свои достижения свои достижения в специальных условиях. К сожалению, в настоящее время эти ценные научные работы утеряны, как и отличная техническая библиотека этого завода.

Условно выделенный нами третий этап характерен выполнением условий профилирования за счёт использования фрез, формирующих винтовые зубья с диаметрами не более 20 мм, а практически - 10…12 мм. Малые диаметральные размер фрез позволяли выполнять все условия профилирования [2]:

- обеспечить общую касательную в точках соприкосновения заготовки и формообразующего инструмента;

- получить точечный, а не линейный контакт инструмента и заготовки на участках с так называемой отрицательной кривизной профиля (то есть вогнутых участков);

- избежать вторичных контактов указанных взаимодействующих тел.

На режущий части борфрез при выполнении этих условий отсутствовали так называемые подрезы, отрицательно сказываются на качестве инструментов.

С появлением многокоординатных шлифовально-заточных станков с ЧПУ, начался четвёртый этап в производстве борфрез. Зубья стали вышлифовывать "по целому" на заготовках, режущая часть которых имела необходимую для эксплуатации твёрдость до 91 HRA.

Борфрезы с вышлифованными "по целому" зубьями получили название "светлых", и они сразу доказали свои преимущества - более высокие работоспособность, качество обработанной поверхности и удобство эксплуатации.

Нельзя забывать, что борфрезы используются преимущественно в ручных инструментах с частотой вращения до 40 000 мин -1. Радиальное биение зубьев, которое у "чёрных" борфрез доходило до 0,2 мм затрудняло работу, а "светлые" фрезы, у которых эта величина не превышала 0,2 мм, получили очевидное преимущество и обеспечило безопасную эксплуатацию.

В работах [3,4] подробно рассмотрены все вопросы формирования зубьев фасонных борфрез, а оценку условий профилирования предлагается выполнять с использованием 3D-моделей изготавливаемых инструментов.

Эта современная методика позволяет решать и метрологические задачи - контролировать геометрические параметр инструментов:

- передние и задние углы зубьев на всей длине режущей части;

- радиус скругления во впадине зубьев;

- углы подъёма винтовой режущей кромки и многое другое.

В рамках четвертого этапа окончательно было доказано преимущество шлифовальных кругов (рис.2) с профилями, образованными только прямыми линиями перед фасонными инструментами второго порядка. Такие инструменты. К сожалению, имеют "слабые" места в виде так называемых вершин, которые при шлифовании получают преимущественный износ.

Рис. 2. Профили шлифовальных кругов, используемые при формировании зубьев: а) - одноразовой формы 1V1; б) - двухголовой формы 1E1; в) - плоский круг формы 1А 1; г) - фасонный круг

С помощью 3D-моделей, изготавливаемых борфрез появилась возможность оценки последствий износа шлифовальных кругов. Оказалось, что при незначительной глубине зубьев (0,2…1,5 мм) - износ кругов при вершине (рис. 3) существенно и негативно влияет на значения передних и задних углов, снижая работоспособность инструментов.

Рис. 3. Износ шлифовальных кругов при вершине

Внося изменения, соответствующие износу кругов в 3D-модель шлифовального круга, удаётся на виртуальных аналогах станков с ЧПУ с использованием реальной управляющей программы (УП) получать 3D-модель изготавливаемого инструмента и устанавливать период стойкости кругов, выраженный в количестве изготовленных инструментов.

Этот период зависит от размеров борфрезы, глубины и числа зубьев и колеблется в пределах 20…40 мм инструментов, с незначительной вариацией их эксплуатационных характеристик.

Дальнейшее развитие производства борфрез по мнению авторов имеет следующие перспективы:

- формирование 3D-моделей с помощью сканирования реальных фрез, а не использование виртуальных объектов, получаемых при взаимодействии 3D-моделей заготовок и шлифовальных кругов;

- повышение качества заготовок твердосплавных борфрез путём уменьшения размеров зерен порошков перед спеканием;

- использование оборудования, обеспечиваемого точность и стабильность технологических процессов;

- совершенствование операционного и приёмного контроля в том числе с использованием тактильных и мультисенсорных измерений на координатно-измерительных машинах;

- изготовление инструментов для обработки неметаллических материалов, в первую очередь, современных углепластиков.

Список литературы

1. И.Н. Семенченко Режущие инструменты. Проектирование и произодство. Том 1. НКМ СССР. Госуд. Научно-технолог. Издательство машиностроительной литературы 1938.

2. С.И. Лашнев, М.И Юликов Расчёт и конструирование металлорежущих инструментов с применением ЭВМ. - М.: Машиностроение, 1975.

3. В.Б. Протасьев, В.В. Истоцкий Проектирование фасонных инструментов, изготавливаемых с использованием шлифовально-заточных станков с ЧПУ. - М.: ИНФРА-М, 2011 - 128с.

4. С.Ю. Илюхин, А.В. Хандожко, А.Е. Стешков Разработка технической документации на сложнопрофильные инструменты, изготавливаемые на заточных станках с ЧПУ // Известия ТулГУ, Сер. Машиностроение, Вып. 2., Инструментальные системы - прошлое, настоящее, будущее: труды международной научно-технической конференции - Тула: изд. ТулГУ, 2003 С. 233-240.

Размещено на Allbest.ru