RU1816532C - Способ обработки асферических поверхностей резанием и устройство дл его осуществлени - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к станкостроению и может быть использовано при обработке оптических поверхностей. Сущность способа состоит в том, что ось инструментального шпиндел  смещена относительно рабочего шпиндел . Частоты вращени  ра-, бочего и инструментального шпинделей относ тс  как 1:3, а направлени  их вращений совпадают: На оси инструментального шпиндел  параллельно ей и установлен резец . Рассто ни  между ос ми рабочего шпиндел  и инструментального шпиндел , а также между осью последнего и резцом измен ютс  по определенному временному закону, но при сохранении соотношени  2:1. 2 с.п. ф-лы, 5 ил.

Description

Изобретение относитс  к станкостроению и может быть использовано при получении оптических поверхностей на материалах, поддающихс  сверхточной обработке резанием .

Целью изобретени   вл етс  повышение производительности обработки зон асферических поверхностей, ограниченных двум  плоскост ми, перпендикул рными оси симметрии асферической поверхности за счет исключени  периодического вреза- ни  режущего инструмента в обрабатываемую поверхность.

Поставленна  цель достигаетс  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 перпендикул рном поверхности детали, а рабочему шпинделю с закрепленной на нем деталью сообщают круговую подачу, согласованную

с поступательным перемещением режущего инструмента, отличающимс  тем, что сообщают перемещение оси инструментального шпиндел  и режущему инструменту в направлении перпендикул рном оси рабочего шпиндел , при этом величина перемещени  режущего инструмента в два раза меньше величины перемещени  инструментального шпиндел , кроме того частота вращени  рабочего шпиндел  в три раза больше частоты вращени  инструментального шпиндел  и направлени  их вращени  совпадают.

Устройство, осуществл ющее способ обработки асферических поверхностей резанием, содержащее станину с рабочим шпинделем дл  креплени  детали и инструментальный шпиндель с резцедержателем, несущим резец , установленный на станке и исполнительный механизм перемещени  резца, при этом инструментальный шпиндель установлен на станине с возможностью перемещени  его оси посредством исполнительного механизма в плоскости перпендикул рной оси рабо00

ел

ы к

чего шпиндел , резец установлен на резцедержателе с возможностью дополнительного перемещени  посредством исполнительного механизма в плоскост х перпендикул рных оси рабочего шпиндел .

Сущность изобретени  состоит в том. что резцедержатель вместе с инструментом движетс  с помощью инструментального шпиндел  по окружности радиусом г, котора  катитс  без проскальзывани  по окружности радиусом R. В случае, если отношение R:r 2 : 1, то люба  фиксированна  точка малой окружности описывает эллипс. Окружность радиуса R принадлежит поверхности вращающейс  детали, укрепленной в шпинделе станка. При этом ось инструментального шпиндел  параллельна оси рабочего шпиндел  и смещена относительно последней на рассто ние R+r. Если на о си инструментального шпиндел  установить штангу длиной г, а на ее окончании установить резец, то при вращении инструмен-. тального и рабочего шпиндел  резец будет описывать на поверхности детали эллипс. При приращении по определенному закону величины R на AR, а г на Дг, и при сохранении соотношени  (R+ AR):(r+Дг) 2:1 резец будет формировать эллипсы с увеличенными большой и малой осью. В случае, если .рассто ние между ос ми рабочего и инструментального шпинделей d больше г, и при одинаковом направлении вращени  и при сохранении соотношений их частот 1:3, на поверхности детали может быть сформирован эллипс, соответствующий некоторому уровню зоны: a(R+ AR)+d+r+ Ar (больша ) полуось; (5(R+,dR)-d+ Дг (меньша ). Таким образом, может быть сформирован любой эллипс. Если в этом случае сообщить перемещение резцу параллельное оси рабочего шпиндел  и взаимоув занное с приращени ми ДР и Дг, то на поверхности детали возможно формирование зон, представл ющих из себ  фрагмент асферической поверхности , ограниченное двум  плоскост ми перпендикул рными оси симметрии асферической поверхности, например, эллиптического параболлоида и сопр женной с цилиндрическими поверхност ми, образующие которых параллельны оси симметрии асимметричной поверхности. Формирование таких зон микрорезанием имеет большое значение в металлооптике.

Предполагаема  совокупность признаков не была обнаружена авторами в известной научно-технической и патентной литературе, следовательно, за вл емое техническое решение соответствует критерию существенные отличи .

На фиг,1 изображена схема обработки зон асферических поверхностей в плоскости , проход щей через оси рабочего и инструментального Шпинделей; на фиг.2 - то же,

в пространственной системе координат; на фиг.З - схема расчета соотношени  частот вращени  рабочего и инструментального шпинделей; на фиг.4 - устройство дл  обработки зон асферических поверхностей: на

фиг,5 - вид сверху фиг,3.

На фиг. 1-5 стрелка с обозначением Д соответствует поступательному перемещению режущего инструмента, кругова  стрелка с обозначением S соответствует направлению круговой подачи инструменталь- ного шпиндел  величиной S, кругова  стрелка с обозначением п соответствует направлению вращени  рабочего шпиндел  с частотой п; стрелки с обозначением AR и Дг

соответствуют перемещению инструментальному шпиндел  и перемещению резца относительно оси инструментального шпиндел , соответственно.

Устройство, осуществл ющее способ

(фиг.4-5) содержит рабочий Шпиндель 1, 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 крепитс  на рабочем шпинделе 1, установленном на станине 12.

На станине 12 укреплена также стойка 10, несуща  инструментальный шпиндель 7 и имеюща  ручной привод 9 и исполнительный механизм 8 дл  ручного и автоматического перемещени  инструментального

шпиндел  7 так; чтобы оси инструментального 7 и рабочего 1 шпинделей оставались параллельными. На оси вращени  инструментального шпиндел  7 укреплен резцедержатель 4, несущий ручной б привод и

исполнительный механизм 5. На окончании резцедержател  4 установлен резец 3. Ручной привод 6 и исполнительный механизм 5 предназначены дл  ручного и автоматического перемещени  резца 3 в плоскости,

проход щей через ось инструментального шпиндел  7. Исполнительный механизм 12 и ручной привод 13 предназначены дл  ручного и автоматического перемещени  резца 3 в направлении, параллельном оси рабочего шпиндел  1.

.Предлагаемый способ осуществл етс  следующим образом.

Дл  обработки резанием зон асферических поверхностей, например, лллиптического параболоида, ограниченных двум  параллельными плоскост ми, перпендикул р- ными оси симметрии асферической поверхности (ось ОУ), необходимо, чтобы, когда окончание режущей кромки резца 3 отстоит на наибольшее рассто ние-от оси вращени  рабочего шпиндел  1, оси рабочего 1, инструментального 7 шпинделей и окончание режущей кромки резца 3 находились в плоскости ZOY (фиг. 1-2). Это необходимо в св зи с тем, что при начале обработки зоны с ее большей границы требуетс  наименьша  глубина резани , котора  в дальнейшем будет увеличиватьс .

При этом ось инструментального шпиндел  7 должна отсто ть от оси рабочего шпиндел , 1 на рассто ние . Окончание режущей кромки резца 3 вращаетс  относительно оси инструментального шпиндел  7 по окружности радиусом г. В этом случае при вращении детали 2 окончание режущей кромки резца 3 на поверхности детали 2 при рассто нии между окончанием резца 3 до оси вращени  детали, равном , будет формироватьс  направл юща  окружность, При вращении оси инструментального щпиндел  7 с частотой на поверхности детали 2 образу- ет производ щую окружность радиусом г, котора  без проскальзывани  катитс  по

образующей окружности. Поскольку R:r 2:1, то проекци  окончани  режущей кромки резца 3 будет формировать на поверхности детали 2 эллипс с полуос ми: (d) (больша ); (d) (меньша ). Эллипс будет сформирован, если частота вращени  рабочего шпиндел  1(п) и второго инструментального шпиндел  7(5) относ тс  как 1:3. Необходимость такого соотношени  частот обусловлена тем, что, воспользовавшись теоремой Виллиса передаточное отношение от рабочего шпиндел  1 к инструментальному относительно водила - звена, соедин ющего центры вращени  рабочего 1 и инструментального 7 шпинделей при неподвижном водиле, равно:

у оь-ан

601 -60Н

(1)

Однако в неподвижной системе координат тогда

+ 1 -и7н-М(2) или U7H 1-U71H. (3)

Допустим, что контактирующие окружности , формируемые рабочим 1 и инструментальным 7 шпиндел ми, контактируют

посредством зубчатого зацеплени . При этом окружность, принадлежаща  рабочему 1 шпинделю, характеризуетс  количеством зубьев Zi, а окружность, принадлежаща  инструментальному 7 шпинделю, -2л, Тогда

10

ий-g .

(4)

Допущение о контакте окружностей, принадлежащем рабочему 1 и инструментальному 7 шпинделю, посредством зубчатого зацеплени  правомерно потому, что образо- вание-циклоиды возможно лишь в том случае, когда между контактирующими окружност ми отсутствует проскальзывание, Отсюда следует также, что направление вращени  рабочего 1 и инструментального 7 шпинделей должны совпадать.

В этом случае (3) примет вид

и™-,

ИЛИ IJH7

Z7

Z1 + Z7

(5)

(б) „

Однако, как было ранее установлено, формирование эллипса на поверхности детали 2, возможно при соотношении радиусов . Это соотношение определ ет и соотношение , тогда (6) запишетс 

UH7

Z7 „1 Z7 + 2Z7 3

(7)

40

Откуда следует, что соотношение частот, вращений рабочего 1(п) и инструментального 7 (S) шпинделей должно составл ть:

.

(8)

5

0

5

При выполнении соотношени  (8)воз можно формирование эллипсов на поверхности детали 2 не только с полуос ми, равными (больша  полуось) и (меньша  полуось). Если окончание режущей кромки резца 3, установленного на резцедержателе 4, отстоит от оси инструментального шпиндел  7 на рассто ние d большее г, тогда величина большой полуоси эллипса a R+r+d, а малой полуоси (d-r). Таким образом, может быть существенно расширена номенклатура формируемых на поверхности детали 2 эллипсов.

Дл  обработки резанием зон асферических поверхностей, например, дл  обработки зон эллиптического параболоида, имеющего в сечени х плоскостей параллельных плоскости ZOY параболы Z -ay, в сечени х плоскостей параллельных плоскости ZOX параболы X2- 5у, необходимо сообщить резцу 3 перемещение Л согласованное с частотами п и S, а также с параметрами асферичности формируемой поверхности. Кроме того есть возможность измен ть в динамике процесса резани  параметры Дг и AR. Дл  того, чтобы оставалось посто нным 2:1, необходимо, чтобы выполн лось условие

(R+AR):(r+Aj-)2:1 (9)

Таким образом, измен   R, г согласно соотношени  (9), можно обеспечить перемещение резца 3 вокруг эллипса, соответствующего одной из границ зоны, по спиральной линии. В этом случае i при , AY2SRt,, а координаты окончани  резца 3 в системе координат {Z, X} на фиг.1-2 запишутс :

X(R+2r)cos(n+S)v-d cos---™ (n+S)t;

Z(()sin(n+S)

-л&п R + 2r

n+S)t, (10)

Здесь, d - рассто ние между резцом 3 и осью инструментального шпиндел  7. Пере- мещение А резца 3 должно быть в таком случае равно рассто нию от плоскости ZOX до поверхности вращающегос  эллиптического параболоида

у (Xcosnt)2 . (Zslrmt)2 н -п гр .rg v

где Н-смещение эллиптического параболоида относительно выбранной системы координат . Подставл   (10) и (11), найдем Y Л Таким образом дл  каждого момента времени t найдено необходимое перемещение резца ЗА.

При таком способе резани  обеспечиваетс  высока  производительность обработки зон, представл ющих из себ  фрагмент асферической поверхности, ограниченный двум  параллельными плоскост ми, перпендикул рными оси симметрии асферической поверхности.

Устройство работает следующим образом .

На рабочем шпинделе 1, фиксируют деталь 2 и сообщают рабочему шпинделю 1 вращение с частотой п. После этого сообщают вращение инструментальному шпинделю 7 с частотой S-Зп, предварительно сместив параллельно его ось относительно оси рабочего -шпиндел  на рассто ние Зг.

При этом окончание режущей кромки резца

3 должно быть смещено на резцедержателе

4 относительно оси инструментального шпиндел  на рассто ние d. Перед началом

вращени  инструментального шпиндел  7 окончание режущей кромки резца 3 выводитс  на большую из границ зоны, принадлежащих плоскости детали 2; Одновременно с началом вращени  инструментального шпиндел  7 резец 3 ввод т в контакт с поверхностью детали 2 ручным приводом 13 и сообщают резцу поступательное перемещение Л согласованное с величинами AR Аг. Величина AR - соответствует увеличению

R посредством привода 8. Величина Дгсоот- V ветствует увеличению г посредством привода 5. Перед включением рабочего 1 и инструментального 7 шпинделей величины г и R устанавливаютс  ручными приводами

6 и 9, соответственно. Перемещение Д, со- гласованное-с Дг, A R, а также согласованное с параметрами асферичности зоны. Обработка зоны может осуществл тьс  в несколько проходов до тех пор, пока не будут

достигнуты все необходимые геометрические параметры.

Согласованное с ДЯ, Дг и п перемещение резца 3 & предварительно табулирует . с  с необходимой точностью, после этого

заноситс  в запоминающее устройство (не показано), которое с необходимой частотой выдает сигнал на исполнительный механизм А. В качестве запоминающего устройства можно использовать, например,

посто нное 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, управл ющим исполнительным механизмом 4.

Наиболее целесообразным вариантом реализации исполнительных механизмов 4,

5 и 8 ввиду небольших (в пределах сотен микрон) линейных перемещений  вл етс  исполнение в виде прецизионного двигател  малых перемещений, например, пьезоэлектрических или электрогидравличвского, что обеспечивает его высокую жесткость, точность и быстродействие.

Дл  вращени  рабочего 1 и инструментального 7 шпинделей целесообразно использовать высокомоментные электроприводы,

Оснащение устройства электропривода- - 5 ми и пьезо-или гидравлическими приводами позвол ет наиболее просто реализовать предлагаемый способ. При этом предлагаема  реализаци  способа сводит к минимуму длину кинематической цепи, чем значительно повышает жесткость, точность и быстродействие работы и исполнительных механизмов 3, 5 и 8, что в конечном итоге повышает точность обработки поверхностей.

Ручные приводи 13, б и 9 устройства предназначены дл  предварительной настройки , определ емой геометрическими параметрами обрабатываемой зоны.

Дл  контрол  величины перемещений Д Лги ДЯ в зависимости от требуемой точно- сти могут быть использованы фотоэлектрические датчики или интерферометры. Соотношение частот вращени  рабочего 1 и инструментального 7 шпинделей может быть осуществлено оптоволоконными или электромагнитными частотометрами.

Преимуществом способа обработки зон асферических поверхностей резанием и устройством дл  его реализации  вл етс  отсутствие регул рного врезани  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%. Кро- ме того преимуществом способа обработки зон асферических поверхностей резанием и устройство дл  его реализации  вл ютс  высокие характеристики по точности и шероховатости обработки, а также высока  производительность обработки. Фрагменты асферических поверхностей, изготовленные за вл емым способом имеют погрешность формы не хуже 0,8 мкм и шероховатость не более Ra 0,03 мкм. Обработка таких поверх- ностей с аналогичным качеством и производительностью не может обеспечить прототип.

Claims (2)

1. Способ обработки асферических поверхностей резанием, при котором инструментальному шпинделю сообщают вращательное движение и согласованное с ним поступательное перемещение режуще-

5

10 15

0 5 0 5

0

5

му инструменту в направлении, перпенди- ; кул рном поверхности детали, а рабочему шпинделю с закрепленной на нем деталью сообщают круговую подачу, согласованную с поступательным перемещением режущего инструмента, отличающийс  тем, что, с целью повышени  производительности обработки зон асферических поверхностей, ограниченных двум  плоскост ми, перпендикул рными оси симметрии асферической поверхности, за счет исключени  периодического врезани  режущего инструмента в обрабатываемую поверхность, сообщают перемещение инструментальному шпинделю и режущему инструменту в направлении, перпендикул рном оси рабочего шпиндел , при этом величина перемещени  режущего инструмента в два раза меньше величины перемещени  инструментального шпиндел , при этом частота вращени  рабочего шпиндел  в три раза больше частоты вращени  инструментального шпиндел , а на- правлени  их вращени  совпадают.

2. Устройство дл  обработки асферических поверхностей резанием, содержащее станину с рабочим шпинделем дл  креплени  детали и инструментальный шпиндель с резцедержателем, несущим резец, установленный на станине, о тличающеес  тем, что, с целью повышени  производительности обработки асферических поверхностей , ограниченных двум  плоскост ми, перпендикул рными оси симметрии асферической поверхности, за счет исключени  периодического врезани  резца в обрабатываемую поверхность, устройство снабжено исполнительным механизмом привода инструментального шпиндел , установленного на станине с возможностью перемещени  в плоскости , перпендикул рной оси рабочего шпиндел , и исполнительным механизмом привода резцедержател , установленного на инструментальном шпинделе с возможностью перемещени  в плоскост х, перпендикул рных оси рабочего шпиндел .