Повышение эффективности обработки метчиками точных резьб большого диаметра

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 621.9

Повышение эффективности обработки метчиками точных резьб большого диаметра

О.Н.Федонин, А.В.Хандожко, Н.Ю. Лакалина

Аннотация

резьба винтовой стружечный отверстие

Проанализированы существующие методы обработки точных резьб большого диаметра, выявлены недостатки этих методов. Обоснована потребность в новом прогрессивном инструменте для обработки внутренней резьбы. Описан ряд исследований, результатом которых явилась разработка, изготовление и внедрение специальных одинарных метчиков с винтовой стружечной канавкой для нарезания точных резьб в глубоких отверстиях.

Ключевые слова: режущий инструмент, обработка отверстий, метчик, нарезание резьбы, точность, шероховатость, повышение эффективности обработки.

Нарезание точных внутренних метрических резьб большого диаметра - достаточно трудоемкий процесс, так как выполняется комплектом метчиков из 3 штук. К точным резьбам предъявляются высокие требования по точности и шероховатости. Получение таких резьб представляет значительные трудности. Проблема усложняется при обработке резьб с требованиями по ориентации оси среднего диаметра резьбы относительно привалочной плоскости. Кроме того, шероховатость резьбы, нарезаемой метчиками стандартной конструкции (с исполнительными размерами по ГОСТ 16925-71), достаточно высокая, а точность резьбы, получаемой стандартными метчиками, не соответствует классам точности 5Н, 6Н.

В ЗАО «УК «БМЗ» при обработке ответственных резьб деталей судовых малооборотных дизелей, особенно новых модификаций, эти вопросы встали достаточно остро и заставили инженерные службы заняться их решением с подключением ученых кафедры «Металлорежущие станки и инструменты» УНТИ БГТУ.

Особенно остро встал вопрос получения качественных резьб М48-5Н,6Н и М52-5Н,6Н на основной детали судового дизеля - раме. Эти резьбы были в глухих отверстиях глубиной 228 мм с длиной нарезанной части 90 мм. Резьба М485, например, имеет допуск 4Н5Н и шероховатость поверхности Ra3,2 мкм. Ответственность данной резьбы выражается в шероховатости профиля резьбы Ra3,2 и допуске перпендикулярности среднего диаметра резьбы относительно привалочной плоскости фундаментной рамы. Поэтому данная резьба обрабатывается по кондуктору удлиненными метчиками с задним направлением по специальной кондукторной втулке. Используется комплект из 3 метчиков со стандартными режущей и калибрующей частями. Такой метод обработки имеет ряд существенных недостатков:

- большая трудоемкость при нарезании резьб в глубоких глухих отверстиях;

- низкая точность нарезаемой резьбы, связанная с большой разбивкой среднего диаметра резьбы;

- большая шероховатость поверхности получаемой резьбы;

- проблемы с очисткой глубоких отверстий от остающейся там стружки.

Были опробованы различные конструкции метчиков, в том числе с бочкообразным зубом. Для получения точных резьбовых отверстий были разработаны чистовые метчики с разбивкой допуска среднего диаметра на 6 частей (от наибольшего среднего диаметра до наименьшего через определенный промежуток). Данные чистовые метчики позволяли на образце из того же материала, что и детали, на том же оборудовании и с теми же режимами обработки нарезать несколько резьбовых отверстий, а затем по предельным резьбовым калибрам определить, какой метчик нарезал резьбу необходимой точности, и нарезать резьбу на детали данным метчиком (метод последовательных приближений - применялся в США). Несмотря на положительные результаты по точности, данный процесс был очень трудоемким, так как не отменял нарезание резьбы комплектом метчиков. Кроме того, тратилось время на экспериментальные работы. Применение метчиков с бочкообразным зубом позволило получить положительные результаты по точности резьбы, но шероховатость её была высокой, так как при выворачивании метчика мелкая стружка попадала в зазор между затылком пера калибрующей части и профилем резьбы и царапала резьбу.

Еще одной проблемой при нарезании резьбы комплектом метчиков является очистка отверстия после нарезания резьбы каждым из метчиков, что достаточно трудоемко. Очистка проводилась сжатым воздухом под давлением 6 атмосфер, иначе стружка с СОЖ не убиралась из глубины резьбы 228 мм плюс толщина кондуктора 100 мм при снятой кондукторной втулке.

Указанные инструменты и методы обработки не позволяют получить требуемые стабильные параметры шероховатости поверхности и точности нарезаемой резьбы, поэтому возникла необходимость в новом прогрессивном инструменте.

Таким образом, задачи, которые предстояло решить, были следующие:

- обеспечить точность внутренней резьбы с крупным шагом 5Н, 6Н в глухих отверстиях;

- получить шероховатость профиля резьбы не более Ra 3,2 мкм;

- снизить трудоемкость нарезания резьбы с крупным шагом в глухих отверстиях;

- добиться по возможности максимального вывода стружки из резьбового отверстия самим режущим инструментом;

- обеспечить допуск перпендикулярности оси резьбы относительно базовых поверхностей.

Был проведен анализ различных существующих конструкций метчиков [1; 4], в том числе и зарубежных фирм («DC» (Швейцария), «Sandvik Coromant» (Швеция), «Iscar» (Израиль)), который показал, что наиболее перспективным принципиальным решением является метчик с винтовыми стружечными канавками. Он был принят за прототип. Хотя такие метчики известны и выпускаются, параметры их не стандартизованы. Поэтому важной задачей является обеспечение оптимальных характеристик таких метчиков. В результате исследований была разработана новая прогрессивная конструкция метчика, которая позволила устранить указанные недостатки и решить задачи повышения качества и производительности при нарезании резьб в глубоких глухих отверстиях.

Предлагаемый объект (специальный одинарный метчик с винтовыми стружечными канавками) позволяет уменьшить количество метчиков в комплекте с трех до одного, выводить стружку из нарезаемого отверстия, повысить точность нарезаемых резьб, снизить шероховатость поверхности нарезаемой резьбы, а также снизить трудоемкость изготовления метчиков с крупным шагом. Получаемый эффект достигается за счет особенностей конструкции метчика.

Метчик (рис. 1) содержит заборную (режущую) часть 1, калибрующую (направляющую) часть 2, хвостовик 3 и стружечные канавки 4.

Метчик изготовляется одинарным. Длина режущей части постоянна и равна трем шагам. Длина калибрующей части постоянна и равна шести шагам. Калибрующая часть не затылуется ни по профилю резьбы, ни по наружному диаметру, что позволяет уменьшить трудоемкость изготовления и контроля резьбовой части метчика, а при переточках метчика сохранять параметры резьбы неизменными.

Перо метчика имеет равные передние углы по передней радиусной поверхности и обратной задней кромке, что позволяет при выворачивании метчика удалять мелкую стружку, и она не попадает на профиль резьбы метчика и не повреждает профиль нарезаемой резьбы.

В результате проведенной работы был получен патент на изобретение [5].

Рис. 1. Метчик: а - общий вид; б - сечение А-А; в - заборная часть метчика в отверстии детали

Для обеспечения точности внутренней резьбы необходимо, чтобы исполнительные размеры среднего диаметра резьбы рассчитывались от нижней трети допуска на средний диаметр, и следует принимать -0,030 мм. Необходимо обеспечить допуск биения режущей части метчика относительно среднего диаметра метчика и допуск биения диаметра направляющего хвостовика относительно среднего диаметра метчика 0,02 мм. Режущую часть метчика следует изготовить длиной 3 нитки (номинальный сбег резьбы). Кроме того, необходимо обеспечить соосность отверстия под резьбу и оси метчика путем применения кондуктора. Калибрующая часть метчика не должна снимать стружку, а должна являться только направляющей частью инструмента. Поэтому было решено калибрующую часть не затыловывать по профилю и наружному диаметру и ограничить ее длину 5-6 нитками.

Был изготовлен опытный метчик с винтовой стружечной канавкой и передним углом 10є. Опытные работы показали, что при нарезании резьбы в стали 20, 20Г, 30Г образуется сливная винтовая стружка с небольшим угловым профилем. Это свидетельствует о том, что резание осуществляется не только конической затылованной поверхностью режущей части, но и передней кромкой боковой поверхности резьбы. Спиральная стружка хорошо размещалась в канавках метчика и выводилась из отверстия при его выворачивании. Вместе с тем микрочастицы, отрывающиеся от винтовой стружки, попадали на профиль нарезанной резьбы и при выворачивании метчика царапали поверхность и ухудшали шероховатость резьбы. Поэтому было решено образовать положительный задний угол на задней кромке пера метчика, равный 10є, при котором удалялись мелкие частицы стружки при выворачивании метчика.

В условиях ЗАО «УК «БМЗ» были изготовлены 3 метчика М39Ч3,5-6Н и 3 метчика М52Ч5,0-6Н соответственно с углами наклона стружечных канавок л, равными 28, 18, 8є. Длины режущей части метчиков отличались от длин режущей части метчиков М39Ч3,5-6Н и М52Ч5,0-6Н с углом наклона стружечных канавок 38є на 0,1 мм. Углы ц режущей части вновь изготовленных метчиков отличались от угла ц базового метчика с л=38є на 0є15ґ.

Другие параметры метчиков с измененными углами л (наружный и средний диаметры, шаг, угол профиля) выполнялись с допусками параметров базового метчика. В связи с достаточно высокой стоимостью изготовленных метчиков было решено в настоящее время ограничиться изготовлением 6 указанных метчиков.

При предварительном испытании метчиков с разными углами л на обрабатывающем центре по индикатору потребляемой мощности получены результаты, которые показывают, что при уменьшении угла л нагрузка на шпиндель увеличивается.

Шаг винтовых стружечных канавок метчиков t=D_срtg, где D_ср- средний диаметр метчика, - угол наклона стружечных канавок метчика. Так как величина среднего диаметра переменная и зависит от номинального размера резьбы, а угол постоянный для любого размера резьбы, то целесообразно исследовать зависимость крутящего момента резания от постоянного конструктивно задаваемого параметра - угла наклона стружечных канавок .

Были изготовлены 5 метчиков М48Ч5-6Н с различными углами наклона винтовой стружечной канавки с сохранением всех остальных параметров неизменными. Длина режущей части l_р=15мм, длина калибрующей части l_к=30мм, количество перьев z=4, передний угол г=10°, коэффициент затылования режущей части k=1,2. Было просверлено и прозенкеровано 6 отверстий Ш42,8^+0,2 глубиной 60мм для каждого метчика с соответствующим углом наклона винтовых стружечных канавок, раззенкована направляющая фаска 3Ч45°.

Обработка проводилась на станке мод.2Б56 с применением специального фрикционного патрона. В качестве СОЖ применялось масло МР-7 (ОСТ 38-01-445-88) с добавлением 3-5% олеиновой кислоты. Нарезанная резьба М48Ч5-6Н проверялась предельными резьбовыми калибрами-пробками.

Крутящий момент измерялся специальными динамометрическими ключами с допуском на измерение 2кгсм. Данные испытаний представлены на рис. 2. Очевидно, что изменение угла наклона стружечных канавок с 0 до 38° позволяет снизить крутящий момент резания в 2,06 раза.

Рис. 2. Зависимость крутящего момента от угла наклона стружечных канавок

Опытные работы, проведенные в лаборатории кафедры «МСиИ» УНТИ БГТУ, также показали, что оптимальным углом наклона винтовой канавки метчика является угол 38є, при котором спиральная стружка минимально деформируется и не ломается при размещении в канавках, а выводится вместе с инструментом. Количество перьев метчика для всех размеров принято равным четырем. В настоящее время изготовлены и внедрены метчики М33Ч3,5, М39Ч3,5, М42Ч4, М48Ч5, М52Ч5, М56Ч5,5, М64Ч6.

Винтовая стружечная канавка решила ряд проблем. Исследования, проведенные в лаборатории кафедры «МСиИ» УНТИ БГТУ на измерительном комплексе на базе ЭВМ [6], показали уменьшение суммарного

Рис. 3. Специальный одинарный метчик с винтовыми стружечными канавками

момента резания при нарезании резьбы разработанным метчиком по сравнению с нормализованным примерно в два раза. Любое уменьшение суммарного момента резания ведет к уменьшению тангенциальных и радиальных составляющих сил резания, которые вызывают этот момент, и, следовательно, снижает отрицательное действие этих сил на разбивание резьбы и положительно сказывается на точности и качестве резьбовых отверстий [2; 3]. Значительный угол наклона винтовой стружечной канавки позволяет завивающейся спиральной стружке свободно выходить из глубоких глухих отверстий.

Кроме того, стружка срезается не только конической затылованной заборной (режущей) частью, но и боковыми сторонами профиля резьбы за счет винтовых стружечных канавок метчика, положительного переднего угла, что снижает крутящий момент при нарезании резьбы. Это позволяет использовать при нарезании резьбы с крупным шагом вместо комплекта метчиков одинарный метчик.

Стружечные полузакрытые канавки метчиков получены опытным путем и зависят от наружного диаметра радиусных дисковых фрез.

В ходе исследований, проведенных в условиях ЗАО «УК «БМЗ», было установлено, что конструкция и исполнительные размеры прогрессивного метчика позволяют стабильно нарезать резьбовые отверстия квалитета точности 4Н5Н, 5Н, а также не разбиваются первые нитки резьбы, которые обычно подрезаются при нарезании резьбы метчиком стандартной конструкции. При этом трудоемкость снижается почти в 3 раза.

Шероховатость профиля резьбы метчика - Rz 0,8 мкм, передней и задней граней пера метчика - Rz 0,8 мкм на высоте на 1-2 мм больше высоты профиля резьбы метчика.

Все указанные метчики были внедрены в производство при обработке деталей судовых дизелей, тепловозов, вагонов и других разовых видов продукции. Качество резьбы, получаемое разработанными метчиками, одобрено и принято инспекциями Морского русского регистра, международными морскими регистрами «Ллойд» (Lloyd's Register of Shipping) и «Веритас».

Список литературы

1. Грудов, А. А. Высокопроизводительный резьбообразующий инструмент / А. А. Грудов. - М.: НИИМаш, 1980. - 64с.

2. Лексиков, В.П. Технологическое повышение качества и производитель-ности обработки внутренних резьб с крупным шагом (Р?3): дис.…канд. техн. наук / В.П. Лексиков. - Брянск, 1998. - 191с.

3. Матвеев, В.В. Нарезание точных резьб / В.В. Матвеев. - М.: Машино-строение, 1978.- 88 с.

4. Прогрессивные режущие инструменты и режимы резания металлов: справочник / под ред. В. И. Баранчикова. - М.: Машиностроение, 1990. - 400с.

5. Пат. 2380204 РФ, МПК⁷ B 23 G 5/06. Метчик / Лакалина Н.Ю., Немешаев Ю.Н., Малахов Ю.А.; заявитель и патентообладатель Брян. гос. техн. ун-т. - № 2008127581/02; заявл. 07.07.08; опубл. 27.01.10, Бюл. №23. - 4 с.: ил.

6. Хандожко, А.В. Профилирование дискового инструмента для обработки винтовых канавок с использованием элемента САПР для моделирования процесса формообразования / А.В. Хандожко, А.В. Тотай, В.И. Аверченков // Вестн. БГТУ. - 2012. - №1(33). - С.104-107.

Материал поступил в редколлегию 10.06.13.

Размещено на Allbest.ru