Проектирование фасонных инструментов, изготавливаемых с использованием шлифовально-заточных станков с ЧПУ

Проектирование 

фасонных инструментов, 

изготавливаемых 
с исПользованием 

шлифовально-заточных 

станков с чПу

В.Б. ПротасьеВ, В.В. ИстоцкИй

Москва 

ИНФРА-М 

2021

МоНогРАФИя

Протасьев В.Б.

Проектирование фасонных инструментов, изготавливаемых 

с использованием шлифовально-заточных станков с ЧПУ : 
монография/В.Б.Протасьев,В.В.Истоцкий.—М сква:ИНФРА-М,
2021. — 128 с. — (Научная мысль).

ISBN 978-5-16-004504-7 (print)
ISBN 978-5-16-105930-2 (online)

Сегодня сложно себе представить производство высококачественного 

режущего инструмента без применения технологий, связанных с использованием шлифовально-заточных станков с ЧПУ.  Использование таких 
технологий несомненно требует нового подхода к проектированию самих 
инструментов.

Разработанная авторами и описанная в настоящей книге система 

проектирования инструмента и подготовки исходной информации для 
станков с ЧПУ успешно работает в условиях действующего производства, 
более того, она дает возможность увидеть процесс профилирования режущего инструмента (визуализировать его в условиях виртуального 3D пространства) и выбрать наилучший результат проектирования.

Книга может быть полезна всем специалистам, работающим в области 

инструментального производства, а также студентам высших и средних 
учебных заведений, обучающихся по направлению «Технология, оборудование, инструмент, автоматизация машиностроительных производств».

УДК 621.9(075.4)

ББК 30.2

УДК 621.9(075.4)
ББК 30.2

П83

© Протасьев В.Б., Истоцкий В.В., 2011

ISBN 978-5-16-004504-7 (print)
ISBN 978-5-16-105930-2 (online)

П83

Подписано в печать 04.12.2020. 

Формат 60×90/16. Бумага офсетная. гарнитура Newton.  

Печать цифровая. Усл. печ. л. 8,0. 

ППТ10.  Заказ  № 00000

ТК 143450-1228118-250910

ФЗ 

№ 436-ФЗ

Издание не подлежит маркировке 
в соответствии с п. 1 ч. 2 ст. 1

оригинал-макет подготовлен в НИЦ ИНФРА-М

ооо «Научно-издательский центр ИНФРА-М»

127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1

Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29
E-mail: books@infra-m.ru              http://www.infra-m.ru

отпечатано в типографии ооо «Научно-издательский центр ИНФРА-М» 

127214, Москва, ул. Полярная, д. 31В, стр. 1 

Тел.: (495) 280-15-96, 280-33-86. Факс: (495) 280-36-29

о

ПРЕДИСЛОВИЕ

Современное машиностроение является основным потребителем 
режущих инструментов, которые, несмотря на стремительное развитие альтернативных методов металлообработки, являются наиболее 
распространенными, а в большинстве случаев и экономически эффективными.
До сих пор повышение точности изделия на один квалитет с использованием обработки резанием по затратам на порядок ниже, чем 
у альтернативных методов.
Знаменитое высказывание Ф. Тейлора — «дивиденды предприятия находятся на режущей кромке инструмента» — не потеряло своей актуальности, и этому способствуют:
 
• совершенствование конструкций самих инструментов;
 
• разработка инструментальных материалов и покрытий с повышенными эксплуатационными характеристиками;
 
• использование 
многокоординатных 
шлифовально-заточных 
станков с ЧПУ для формообразования режущей части инструментов;
 
• 3D-моделирование геометрических объектов и процессов взаимодействия таких объектов, из которых один представляет заготовку обрабатываемого инструмента, а другой — шлифовальный круг;
 
• достижения в области информатики, позволяющие транслировать необходимую информацию от разработчика к изготовителю посредством сетевых технологий.
Активное использование в современном машиностроении станков, оснащенных системами числового программного управления 
(ЧПУ), позволило не только ощутимо повысить технический уровень 
вышеуказанной отрасли в целом и расширить номенклатуру выпуска, но и обеспечить более высокие качественные показатели изготавливаемой продукции.
Использование в инструментальном производстве шлифовальнозаточного оборудования с ЧПУ для изготовления и переточки режущих инструментов вызвало ряд очень серьезных трудностей, связанных с недостатком информации по вопросам его эксплуатации, 
о «плюсах» и »минусах» кинематических схем такого оборудования, 
методах и тонкостях его настойки, параметрах используемых шлифовальных кругов, и особенно программировании перемещений рабочих 
органов при профилировании различных режущих инструментов.
Главная особенность, выделяющая режущие инструменты из объектов общего машиностроения, — использование в их конструкции 

сложных винтовых поверхностей. Они образуются при неравномерном вращении заготовки и ее неравномерных перемещениях относительно шлифовального круга вдоль координатных осей. Между 
обрабатываемой винтовой поверхностью и шлифовальным кругом 
образуется линейный контакт.
Наиболее эффективно в таких условиях обрабатывать весь профиль стружечных канавок за один проход, а затем по такой же схеме 
и задние поверхности зубьев. Такая обработка производительна, но 
имеет особенность — профиль обрабатываемых поверхностей плавно (или иначе) изменяется, т.е. его размеры и форма различны в различных торцовых сечениях инструмента, и необходимо либо минимизировать эту трансформацию профилей, либо добиться ее благоприятного изменения в заданных пределах.
Многокоординатные шлифовально-заточные станки с ЧПУ позволяют решить эту задачу, но вначале необходимо разработать математический аппарат для поиска рациональных параметров взаимного расположения заготовки и шлифовального круга (так называемых параметров установки) при обработке всей режущей части 
инструмента.
Задачами, связанными с расчетом профиля и определением параметров установки инструментов второго порядка (шлифовальных 
кругов), занимались многие отечественные и зарубежные специалисты. Однако большинство решений этих задач распространялось 
только на инструменты, винтовые поверхности которых имели постоянный шаг, т.е. допускали «движение самих по себе».
Формирование инструментов, имеющих сложное сечение производящей поверхности и режущую кромку в виде винтовой линии, 
является сложной математической задачей, и до настоящего времени 
теория профилирования таких инструментов в полной мере не сформирована. Попытка, основанная на внедрении системы проектирования режущей части инструментов с использованием ЭВМ и их 
изготовления на станках с ЧПУ, делается в этой книге.
Не менее важно разработать эффективный способ контроля полученных результатов еще до того, как будет выполнена обработка 
на реальном оборудовании.
Существующее многообразие систем координат шлифовальнозаточных станков с ЧПУ, совокупность их управляемых и установочных движений требуют адаптации теории обработки винтовых поверхностей с переменным аксиально-радиальным шагом к изготовлению инструментов, что до настоящего времени также не было 
сделано.
Согласно существующей классификации необходимо решить так 
называемую кинематическую задачу — при заданной форме профиля шлифовального круга (желательно простой — составленной из 

прямых линий, которая может варьироваться) определить траекторию его перемещения относительно заготовки, рассчитать профиль 
зубьев инструмента, например в торцовых сечениях, и составить 
управляющую программу (УП) для станка с ЧПУ.
Математическое содержание кинематической задачи является 
инструкцией по программированию перемещений рабочих органов 
заточных станков с ЧПУ для изготовления инструментов, которую 
разработчики оборудования не разглашают и которая является «know 
how».
Как правило, пользователь, приобретая подобное оборудование, 
получает с ним некоторый пакет управляющих программ для обработки определенного инструмента. Для расширения номенклатуры 
изготавливаемого инструмента заказчик сталкивается с существенными дополнительными трудностями и расходами.
Можно утверждать, что в России отсутствует программный комплекс, позволяющий решать кинематические задачи подобного рода. 
Такими комплексами располагают известные мировые инструментальные фирмы, такие как Walter, Shnеeberger, Anca, а из стран СНГ — 
только республика Беларусь в лице фирмы «Витебский завод заточных станков» (ВиЗАС).
Отдельно можно рассматривать задачу проектирования конструкции инструмента с использованием технологий CAD/CAM.
При разработке конструкторской документации имеет место противоречие — потребителю не нужен сложный чертеж инструмента, 
ему нужен чертеж, раскрывающий эксплуатационные возможности, 
а изготовителю этого недостаточно. В настоящее время чертежи на 
режущий инструмент представляют собой что-то неопределенное — 
потребителю они сложны для восприятия, а изготовитель, использующий «чужой чертеж», вынужден фактически переделывать режущую часть инструмента с учетом возможностей используемого для 
изготовления оборудования. Такая практика связана с многочисленными согласованиями, потерями времени, конкурентных преимуществ и в настоящее время неприемлема. Выход состоит в том, что 
конструктор инструмента и программист станка с ЧПУ должны выступать в одном лице и иметь в своем распоряжении программнометодический комплекс (ПМК), позволяющий комплексно выполнять задачи и проектирования режущей части, и ее изготовления на 
шлифовально-заточном оборудовании с ЧПУ.
Для создания такого комплекса необходимо решение частных 
задач.
1. В целях получения исходной информации нужно разработать 
обобщенную форму производящих поверхностей инструментов, а все 
остальные формы должны быть ее частными случаями.

2. Математический аппарат для решения кинематической задачи 
должен быть адаптирован к системам координат станков с ЧПУ и 
позволять разрабатывать УП.
3. Частью ПМК должна быть виртуальная модель станка с ЧПУ, 
содержащая 3D-модели заготовки и шлифовального круга, перемещаемые относительно друг друга идентично реальному станку; и итогом такого процесса должна быть виртуальная модель инструмента, 
на которой можно измерять средствами ЭВМ все интересующие геометрические параметры и при необходимости вносить коррективы.
4. Спроектированный и изготовленный инструмент должен выполнять свои функции.
Режущий инструмент выполняет две взаимосвязанные функции:
 
• удаляет припуск (функция резания);
 
• формообразует обрабатываемую поверхность (функция профилирования). Этот термин используется далее при объяснении 
задач, решаемых при изготовлении режущей части инструментов.
Выполнение первой функции достигается путем исполнения рекомендаций специалистов в области резания по величинам передних 
и задних углов, а также углов наклона режущей кромки в зависимости от условий резания с обеспечением при этом необходимой прочности зубьев и размещения стружки.
Выполнение функции формообразования при изготовлении инструментов обеспечивается формой и размерами шлифовального 
круга и его перемещениями относительно заготовки, т.е. траекторией его движения. Здесь авторы используют собственные разработки 
и рекомендации.
Книга рассчитана на специалистов-инструментальщиков, преподавателей технических учебных заведений, аспирантов и студентов.
Авторы надеются, что она будет полезна для инструментальной 
промышленности России.
Книга включает три главы.
В первой главе приводятся общие сведения о шлифовально-заточных станках, системах их управления и компоновочных схемах. Здесь 
же рассматриваются различные виды интерполяторов, принципы 
параметрического программирования станков с ЧПУ, способы правки шлифовальных кругов и приемы настройки исходного положения 
системы координат станков.
Во второй главе изложены принципы решения кинематической 
задачи и математический аппарат для ее решения.
Третья глава освещает принципы построения 3D-моделей изготавливаемых инструментов с использованием виртуальных моделейаналогов шлифовально-заточных станков с ЧПУ и примеры использования таких моделей.

При написании книги работа распределилась следующим образом: разделы 1.2; 1.3; 1.5; 1.6; 2.1; 2.2; 2.5; 2.9 написаны В.Б. Протасьевым; разделы 1.1; 1.4; 2.3; 2.4; 2.6; 2.7; 2.8; 2.11 — В.В. Истоцким. Написание остальных разделов, а также трудоемкую работу по 
согласованию содержания различных глав, приведению к единой 
терминологии и редактированию всего материала авторы выполняли 
совместно.
Авторы выражают искреннюю благодарность генеральному директору ОАО Серпуховский инструментальный завод «ТВИНТОС» 
Е.М. Шереметьеву, с помощью которого система проектирования и 
изготовления режущей части фасонных инструментов на станках с 
ЧПУ была внедрена и успешно функционирует на заводе с 2003 г.
Авторы убедительно просят читателей сообщать о замеченных 
недостатках и неточностях по адресу v_ist@mail.ru.
Все замечания будут приняты с благодарностью и учтены в дальнейшей работе и при последующих изданиях книги.

ГЛаВа 1. 
ОбщИЕ СВЕДЕнИя О шЛИфОВаЛьнОзатОчных Станках

Шлифовально-заточные станки с числовым программным управлением (ЧПУ) являются мощным современным средством автоматизации инструментального производства — они без участия оператора 
с помощью управляющей программы (УП) выполняют обработку самых сложных поверхностей на всех видах современных режущих инструментов как из твердых сплавов, так и из инструментальных сталей.
В конструкции станков используются самые новейшие механизмы и системы:
 
• прецизионные шарико-винтовые пары для реализации линейных перемещений вдоль координатных осей; натяг, создаваемый в этих механизмах, позволяет совершать точные реверсивные движения;
 
• безлюфтовые червячные передачи, позволяющие выполнять 
точные реверсивные вращательные движения относительно координатных осей;
 
• фотоимпульсные и магнитоэлектрические измерительные датчики, обеспечивающие высокую точность обратной связи, 
т.е. контроль перемещений, задаваемых УП;
 
• измерительные головки (щупы) для контроля параметров изготовленных инструментов и определения величин коррекции, 
если значения измеренных параметров выходят за поле допуска;
 
• электродвигатели (шаговые или иные), обладающие широким 
диапазоном регулирования частот вращения и требуемым крутящим моментом;
 
• высокоскоростные шлифовальные шпиндели, обладающие 
плавностью хода и виброустойчивостью;
 
• мощные ЭВМ, управляющие всеми механизмами станка и позволяющие разрабатывать УП, визуализировать проектируемый 
инструмент посредством 2D- и 3D-моделирования.
Все вышеизложенное выводит станки с ЧПУ в разряд самых современных средств инструментального производства. Время, когда 
инструменты затачивались и перетачивались вручную и даже с помощью специальных приспособлений, уходят в прошлое; и качество 
инструментов все больше определяется возможностями шлифовально-заточных станков с ЧПУ и программно-методическими комплексами (ПМК), позволяющими в автоматизированном режиме разрабатывать УП с учетом теории профилирования самых сложных 
 поверхностей и теории абразивной обработки поверхностей шлифовальными кругами.

Практика показывает, что стоимость ПМК составляет до 20% 
(иногда и больше) стоимости станка, более того, сам станок рискованно проектировать без наличия такого комплекса, ввиду того что 
исключается возможность управления сложными траекториями перемещений, необходимыми для профилирования режущего инструмента.

1.1. 
ОПИСанИЕ шЛИфОВаЛьнО-затОчнОГО Станка С чПУ 
мОД. Вз-452ф4

На момент написания книги по оценке «цена—качество» эти 
станки производства Республики Беларусь (индекс ВЗ означает Витебский заточной) являются одними из лучших, а кроме того, это 
единственное заточное оборудование с ЧПУ, выпускаемое на территории бывшего СССР.
Цифры 452 являются индексом модели завода-изготовителя, 
а обозначение Ф4 означает, что одновременно могут интерполироваться четыре управляемые координаты из пяти возможных. Если в 
одновременной интерполяции могут участвовать все пять координат, 
то индекс будет Ф5.
Внешний вид станка показан на рис. 1.1.
Станок снабжен виброустойчивой сварной станиной 1, рабочая 
зона закрывается специальным экраном 2, а управление ведется с 
поворотного пульта 3.
Кинематическая схема (рис. 1.2) имеет характерную особенность — это минимально возможное число конструктивных составляющих от двигателя до исполнительного органа. Такое решение 
обеспечивает главное — точность перемещений и отличается простотой и надежностью. 
Позиции на рис. 1.2 сгруппированы по их назначению, и это подчеркивает вторую особенность конструктивных составляющих — их 
унификацию.
Для удобства восприятия назначения кинематических составляющих их позиции, указанные на рис. 1.2, сведены в табл. 1.1.
Пульт управления (ПУ) станком (рис. 1.3) дает общее представление о технологических возможностях. Для систематизации информация о кнопках ПУ сведена в табл. 1.2.
Возможности описанного выше станка позволяют изготавливать 
инструменты различной сложности, что объясняет интерес инструментальной промышленности к подобному оборудованию.

Рис. 1.1. Вешний вид шлифовально-заточного станка с ЧПУ мод. ВЗ-452Ф4

Рис. 1.2. Кинематическая схема станка мод. ВЗ-452Ф4