Высокопроизводительный резьбообразующий инструмент

Величина затылования на режущей секции К1= (0,0035чО.ОО6) Fп мм. Такая величина обусловливает значение заднего бокового угла в цилиндрическом сечении резьбы метчика 7'--10' и является оптимальной с точки зрения точности нарезаемой резьбы и стойкости метчиков [16].

Рис. 11. Конструкции сборных регулируемых метчиков

Величина затылования на ведущей секции К2=0,03--0,05 мм. Изменение размеров нарезаемой резьбы осуществляется при повороте калибрующей секции относительно режущей и ведущей секций на некоторый угол щґ, что обеспечивает определенное осевое смещение зубьев относительно зубьев двух других секций.

Такое рассогласование секций позволяет увеличить ширину профиля нарезаемой резьбы и соответственно средний диаметр на некоторую величину

Трехсекционный метчик может быть использован для нарезания резьб как в сквозных, так и в глухих отверстиях. Однако для нарезания резьб в глухих отверстиях не требуется ведущая секция, и конструкция метчика в этом случае может быть упрощена.

Для нарезания резьбы в сквозных отверстиях необходимо изготовление ведущей секции с бочкообразными зубьями, так как в противном случае после выхода из отверстия последнего зуба режущей секции калибрующая не может обеспечить резания. При наличии ведущей секции, зубья которой вошли в витки нарезанной резьбы детали, после выхода из отверстия режущей части резание калибрующими зубьями будет обеспечиваться за счет рассогласования между калибрующей и ведущей секциями метчика.

В этом случае при резании правыми боковыми кромками зубьев калибрующей секции (секция повернута вперед) метчик будет упираться в профиль нарезанной резьбы левыми вершинками бочкообразных зубьев ведущей секции, а при резании левыми боковыми кромками (секция повернута назад) --правыми вершинками зубьев ведущей секции.

Такие метчики могут быть использованы для нарезания точных резьб большого диаметра за один проход. В случае необходимости они могут быть использованы для нарезания резьбы в два и более проходов, а также в качестве последнего калибрующего метчика в комплекте метчиков при нарезании крупных точных резьб.

Шлифование резьбы двухсекционных регулируемых метчиков не отличается от шлифования обычных цельных метчиков.

5. ПРОФИЛИРОВАНИЕ РЕЗЬБОНАРЕЗНЫХ РЕЗЦОВ И ГРЕБЕНОК

Один из наиболее эффективных способов увеличения производительности процесса--увеличение суммарной длины одновременно работающих режущих кромок.

Применительно к резьботочению это обеспечивается за счет выбора оптимальной схемы резания и оптимального распределения удаляемого припуска по проходам при работе однолезвийным инструментом или между режущими элементами многолезвийного инструмента.

Рис. 12. Схемы резания при резьботочении

При работе одним резцом схемы резания в зависимости от направления подачи резца относительно оси резьбы можно свести к трем схемам [18]: профильной (рис. 12, а), последовательной (рис. 12, б) и профильно-последовательной (рис. 12, в).

При профильной схеме резания направление подачи перпендикулярно к оси резьбы, при реализации остальных схем резания подача резца осуществляется под углом к оси резьбы, причем при последовательной схеме резания направление подачи совпадает с углом наклона стороны профиля, а при профильно-последовательной--под углом меньшим, чем угол наклона стороны профиля. резьбообразование гаечный метчик накатывание

Профильная схема резания является наиболее распространенной. При реализации профильной схемы режущие кромки резца при внедрении в материал детали срезают его последовательными слоями и окончательно формируют профиль резьбы на последнем проходе. Удаляемые сечения имеют жесткую коробчатую форму, и поэтому для их срезания требуются значительные усилия резания. Наиболее загруженным в силовом и тепловом отношениях участком является его вершина, так как она работает в зоне несвободного резания, имеет небольшое поперечное сечение и участвует в резаний на протяжении каждого из проходов.

При последовательной схеме условия работы резца будут более благоприятными, однако резьба получается менее точной.

При профильно-последовательной схеме резания одна из режущих кромок резца может срезать весьма тонкие стружки, что приводит к снижению стойкости резца и ухудшению качества нарезаемой резьбы [18].

Для устранения этих недостатков используют комбинированную схему резания, т. е. несколько резцов для раздельного удаления припуска: профилирующий резец и один или больше предварительных резцов (форма профиля не лимитируется).

Одна нз разновидностей такой схемы получила наибольшее распространение на токарно-резьбонарезных полуавтоматах, в частности французской фирмы Kri­dan и западногерманской фирмы Етаg (рис, 12, г).

Необходимо отметить, что при комбинированной схеме резания количество проходов чистового резца зависит от точности попадания его в прорезанную резьбовую канавку, а последнее--от точности относительного расположения чистового и чернового резцов.

Наиболее оптимальная с точки зрения производительности--дифференцированная схема резания, при которой весь припуск срезается несколькими резцами за один проход.

На практике наибольшее распространение получили профильная и комбинированная схемы резания.

В работе [18] установлено, что оптимальный способ подачи--обеспечение постоянства площадей сечения вырезаемого материала по проходам. Переход от способа постоянства подач к указанному способу обеспечивает при одинаковом числе обработанных резцом деталей возможность уменьшения на 20--40% общего числа проходов и тем самым повышения производительности резьботокарных полуавтоматов по машинному времени в среднем на 30%.

Однако, согласно исследованиям ВНИИ, для создания приблизительно одинаковых условий работы резца на всех проходах целелесообразно иметь некоторое уменьшение вырезаемой площади на последних проходах.

Технические требования к большинству изготовляемых резьб допускают определенную величину сбега резьбы. Очевидно, в таких случаях для увеличения стойкости инструмента и производительности целесообразно применение многозубых резьбонарезных гребенок, каждый зуб которых является резцом и, следовательно, рассмотренная закономерность рационального распределения вырезаемой площади по проходам может быть применима для каждого зуба гребенки.

При проектировании гребенок за основу принимается профильная схема резания, при которой каждый предыдущий зуб гребенки по сравнению с последующим имеет определенное занижение как по вершине, так и по боковым сторонам.

Рис. 13. Профиль:

а -- трехзубой гре6енки для резьбы ОТТМ1 и ОТТГ1; б -- резьбы ОТТМ1 и ОТТГ1 (д -- припуск под резьбу)

ВНИИ разработана и внедрена гамма многозубых (двух-, трех- и четырохзубых) твердосплавных резьбонарезных гребенок для нарезания внутренних цилиндрических и конических резьб с условным диаметром 60--219 мм (для призматических гребенок) и 219--324 мм (для гребенок-столбиков) в муфтах и наружных резьб на трубах нефтяного сортамента на муфто- и трубонарезных станках.

Применение резьбонарезных гребенок обеспечивает работу на скорости резания до 120 м/мин, точность резьбы степени 6, шероховатость Rz?3,2 мкм при обработке сталей различных групп прочности.

При конструировании гребенок по возможности соблюдалось основное требование, заключавшееся в том, чтобы при заданном количестве проходов деление по высоте профиля для каждого из проходов (глубина врезания) обеспечивало уменьшение или равенство площади вырезаемого металла от прохода к проходу и от зуба к зубу при меньшей средней площади металла, вырезаемого чистовым зубом по сравнению с металлом, вырезаемым любым из черновых.

ВНИИ разработана методика профилирования резьбонарезных гребенок, обеспечивающая такую рациональную загрузку отдельных зубьев (рис. 13,14). У спроектированной гребенки ширина каждого зуба меньше ширины последующего на величину, учитывающую наибольшую погрешность станка по шагу, допуск на изготовление и обеспечивающую при этом возможность резания боковыми сторонами.

Рис. 14. Схема вырезания профиля резьбы ОТТМ1 трехзубой гребенкой за семь проходов (Д1=0,10 мм; Д2=0,03 мм; д=0,18; KVIII=0). Цифрами обозначены порядковые номера зубьев гребенки.

Величины занижения Д1 и Д2 черновых зубьев по сравнению с чистовым определяют распределение вырезаемой площади между зубьями.

При числе проходов i=7 более оптимальны Д1=0,10мм и Д2==0,03 мм, обусловливающие уменьшение вырезаемой площади от зуба к зубу (1,97; 1,46 и 1,30 мм2), тогда как при Д1=0,12 мм и Д2=0,03 мм наибольшую площадь вырезает второй зуб, что нерационально (таб. 6). В то же время величины Д1=0,12 мм и Д2=0,03 мм обусловливают относительно рациональную загрузку зубьев при меньшем количестве проходов (i=5).

При конструировании гребенок необходимо иметь в виду, что конструкция гребенки может быть оптимальной только для определенного количества проходов.

6. ОБЛАСТЬ ПРИМЕНЕНИЯ РЕЗЬБОНАКАТНЫХ ГОЛОВОК

Основное преимущество накатывания резьбы резьбонакатными головками--возможность их использования па универсальных металлорежущих станках и автоматах, что увеличивает производительность операции на метрических резьбах в четыре-пять раз по сравнению с нарезанием резьбонарезной головкой и на трапецеидальных резьбах в 10--12 раз по сравнению с нарезанием резьбовым резцом. Это обеспечивается главным образом за счет более высоких скоростей накатывания (30--90 м/мин), а также за счет накатывания резьбы за один проход и отсутствия свинчивания при обратном ходе.

Накатывание резьбы может осуществляться на любых материалах, в том числе труднообрабатываемых, способных подвергаться пластическим деформациям и характеризующихся относительным удлинением не менее 8%, твердостью до НRС 35--40.

При накатывании обеспечиваются:

высокие степени точности резьбы: 4--5-я при работе тангенциальными головками, 6--7-я при накатывании головками с осевой подачей метрических резьб и 7--8-я при накатывании головками с осевой подачей трапецеидальных резьб;

шероховатость поверхности профиля резьбы Ra?1,25 мкм;

повышение прочности деталей с накатанной резьбой на 25--30% и износостойкости поверхностного слоя резьбы.

Резьбонакатные ролики имеют в десятки раз большую стойкость по сравнению с резьбонарезными инструментами; применительно к конструкционным сталям с Хв?750 МПа стойкость роликов при накатывании метрических резьб--2000--3000 пог. м резьбы, при накатывании трапецеидальных резьб с шагом 4--6 мм--800--1000 пог. м и с шагом 6--10 мм--400--800 пог. м.

Широко применяемый инструментальный материал для резьбонакатных роликов--сталь Х12М, а наиболее оптимальный--легированная сталь 6Х6ВЗМФС (ГОСТ 5950--73), разработанная ВНИИ и имеющая по сравнению со сталью Х12М большую (в 1,5 раза) прочность при изгибе и износостойкость. Разница в стойкости роликов из сталей 6Х6ВЗМФС и Х12М может достигать десяти и более раз в зависимости от физико-механических свойств накатываемого материала: она тем выше, чем больше твердость обрабатываемого материала и чем больше возникающие при накатывании усилия.

7. КОНСТРУКЦИИ РЕЗЬБОНАКАТНЫХ ГОЛОВОК

Резьбонакатные головки типа ВНГН предназначены для накатывания наружной метрической резьбы диаметром 4--52 мм и применяются на болторезных, сверлильных стайках и автоматах как вращающиеся, на токарных и револьверных станках--как невращающиеся.

Московский завод режущих инструментов «Фрезер» серийноизготовляет головки типа ВНГН четырех типоразмеров: ВНГН-2, ВНГН-3, ВНГН-4, ВНГН-5.

Рис. 15. Резьбонакатная головка типа ВНГН-3: 1 -- паз корпуса; 2 -- паз хвостовика

Резьбонакатная головка типа ВНГН-3 [19] для накатывания резьб диаметром 8--16 мм (рис. 15) состоит из хвостовика 1, на котором установлены корпус 2 и кольцо 3, закрепленное на корпусе колонками 4. Между кольцом 3 и крышкой 6 установлены проставочиые втулки 5 и эксцентриковые оси 7, расположенные под углом, равным приблизительно углу подъема накатываемых резьб, на которых установлены резьбонакатные ролики 8, имеющие на наружной поверхности кольцевые профильные витки. Между осями 7 и роликами 8 расположены игольчатые ролики 9. На задней цилиндрической ступени эксцентриковых осей установлены шестерни 10, которые находятся в зацеплении с зубчатым венцом хвостовика 1.

Раскрывающий механизм резьбонакатной головки скомбинирован из двух пар коленообразных пазов, изготовленных в хвостовике 1 и корпусе 2, в которых помещены пальцы 12 и ролики 13. Пальцы 12 установлены в отверстиях кольца выключения 14 и сердечника 15, в котором размещен упорный винт 17, закрепляемый контргайкой 16.

В момент работы заготовка подается в зону накатывания и при достижении упорного винта 17 перемещает его вдоль оси головки вместе с сердечником 15, пальцами 12 и роликами 13 до тех пор, пока ролики 13 сойдут с продольного участка коленообразных пазов на винтовой участок и при помощи пружины 11, присоединенной к корпусу 2 и хвостовику 1, корпус совместно с накатной частью повернется относительно хвостовика. При этом ролики 3, находясь на эксцентриковых осях 7, отойдут от оси головки, и ее можно свободно без свинчивания отвести в исходное положение.

Возврат головки в рабочее положение осуществляется путем перемещения кольца выключения 14 по направлению к переднему торцу головки под действием вилки, установленной на станке, или рукояткой, ввернутой в корпус 2.

Регулирование длины накатываемой резьбы осуществляется за счет изменения положения внутреннего упора 17, а диаметра--путем поворота кольца 3 и крышки 6 относительно корпуса 2 при освобожденных гайках.

Основное конструктивное отличие описанной разьбонакатной головки от резьбонакатной головки фирмы Fеttе (ФРГ) заключается в механизмах открытия и закрытия головки: у головки фирмы Fеttе этот механизм представляет собой простой зубчатый замок, а у головок типа ВНГН--два перекрещивающихся коленообразных винтовых паза, изготовленных в корпусе и хвостовике, что обеспечивает большую надежность и долговечность конструкции механизма открывания головок.

Резьбонакатные головки типа ВНГН -- трап. предназначены для накатывания на токарных, револьверных и болторезных станках трапецеидальных правых и левых резьб диаметром 16--42 мм с максимальным шагом 6 мм и длиной до 500 мм [20].

Московский завод режущих инструментов «Фрезер» изготовляет серийно четыре типоразмера головок (правые и левые): ВНГН --трап. 1, ВНГН--трап. 2, ВНГН--трап. 3, ВНГН--трап. 4.

Данные головки являются разновидностью головок ВНГН и имеют следующие отличия; сердечник выполнен в виде гильзы на конце с внутренней резьбой, в которую ввернута заглушка с упорным винтом, на конце которого установлены контргайки; зубчатый венец хвостовика заменен зубчатым колесом, закрепленным шпонкой; на цилиндрической шейке хвостовика установлено кольцо со штифтом и сухарем, служащим опорой для пружины.

Головка регулируется на заданный размер накатываемой резьбы регулировочными винтами.

Резьбонакатные головки типа ВНГТ являются также разновидностью головок типа ВНГН и предназначены для накатывания резьбы на тонкостенных водогазопроводных трубах (ЧМТУ УкрНИТИ 576--64) диаметром 1/2--2" на токарных, револьверных, болторезных и трубонарезных станках.

Серийный выпуск этих моделей головок освоен Московским заводом режущих инструментов «Фрезер».

На базе резьбонакатных головок типа РНГТ во ВНИИ разработаны резьбонакатные головки для накатывания резьб на сплошных изделиях диаметром 90--140 мм с максимальным шагом накатываемой резьбы 4 мм, головки для накатывания наружных конических резьб на геологоразведочных трубах диаметром 42--52 мм и малогабаритные резьбонакатные головки для накатывания цилиндрических резьб на сплошных изделиях диаметром 3--50 мм с максимальным шагом накатываемой резьбы 2 мм. Данные резьбонакатные головки внедрены на ряде машиностроительных заводов страны.

Универсальные резьбонакатные головки типа ГУР [23] предназначены для накатывания наружных треугольных и трапецеидальных одно- и двухзаходных правых и левых резьб диаметром 12--90 мм с шагом до 10 мм на универсальных токарных и револьверных станках (рис. 17).

Разработано четыре типоразмера головок: ГУР-4, ГУР-5, ГУР-5А, ГУР-6.

Принципиальная конструктивная особенность головок -- возможность изменения угла установки роликов относительно оси головки, что позволяет регулировать накопленную ошибку шага нарезаемой резьбы.

На цилиндрической шейке центрального зубчатого колеса 1 головки типа ГУР-5 установлена задняя крышка 2 с запрессованными осями 3, на которых установлены зубчатые колеса 4, находящиеся в зацеплении с центральным зубчатым колесом 1. Зубчатые колеса 4 связаны крестовинами 5 с эксцентриковыми осями 6, на которых установлены резьбонакатные 7 и игольчатые 8 ролики. Передняя и задняя цапфы эксцентриковых осей базируются на шарнирных подшипниках 9 типа ШЗО (ГОСТ 3635--54). Использование таких подшипников в качестве поворотных элементов значительно упрощает изготовление головок и обеспечивает их жесткость. Шарнирные подшипники 9 размещены в крышке 11 и кольце 13, которые скреплены винтами 10 посредством трех колонок 12. Поворот крышки 11 относительно кольца 13 изменяет угол установки резьбонакатных роликов относительно оси головки, что достигается вращением двух регулировочных винтов 14.

Резьбонакатная головка регулируется на заданный диаметр накатываемой резьбы с помощью двух регулировочных винтов 16.В конце рабочего хода она раскрывается под действием упора, закрепленного на станине станка. После накатывания резьбы заданной длины ползун 15 останавливается, а головка продолжает движение вдоль оси изделия до выхода ролика ползуна из паза задней крышки.

Далее под действием пружины 17 накатная часть головки поворачивается относительно центрального зубчатого колеса 1, тем самым резьбонакатные ролики отводятся от оси головки, и ее можно свободно без свинчивания возвратить в исходное положение. Закрытие головки осуществляется рукояткой, ввернутой в кольцо 13.

Рис. 17. Универсальная резьбонакатная головка типа ГУР-5 для накатывания наружных резьб диаметром 22--52 мм

Резьбонакатные головки типа ГУР просты в эксплуатации, требуют незначительное время на регулировку и переналадку. Головки внедрены на многих предприятиях.

Головка для накатывания конической резьбы разработана (конструкция ВНИИметмаш) для накатывания резьбы на бурильных трубах (ГОСТ 631--75), предварительно проточенных на конус [24].

Резьбонакатная головка (рис. 18) разработана для трубонарезных станков

Рис. 18. Головка для накатывания конической резьбы модели 9123,

Пять резьбонакатных роликов 7 установлены на игольчатых подшипниках на эксцентриковых осях 5, которые поворачиваются в дисках 1 и 6 (диск 1 прикреплен к корпусу 12 шпильками 18). Головка на размер накатываемой резьбы регулируется винтами 19.

В отверстие корпуса на подшипниках скольжения установлено находящееся в зацеплении с зубчатыми колесами 9 центральное зубчатое колесо 10, которое может поворачиваться относительно корпуса на угол, величину которого определяют с учетом поворота эксцентриковых осей на 180°. В отверстии центрального зубчатого колеса расположен шток 17 с пальцем 15, на котором установлены сферические подшипники 16 и упорный диск 11.

Контакт сферических подшипников с опорными планками 20, находящимися в продольном пазу центрального колеса, и копиром 21, установленным в продольном пазу корпуса, осуществляется под действием пружины 13, при накатывании резьбы--под действием усилий, возникающих в процессе обработки.

На штоке 17 расположены оси 4 с резьбой, головка 8 и упорный фланец 8, который может вращаться благодаря наличию упорного подшипника 2.

Фланец 14, который служит для закрепления головки к шпинделю станка, можно соединить неподвижно с корпусом 12 или с колесом 10; подвижным может быть корпус с дисками либо центральное колесо. При этом эксцентриковые оси могут поворачиваться по часовой стрелке или против нее (если смотреть на головку со стороны дисков). Подвижные элементы и направление вращения эксцентриковых осей определяют конструктивное исполнение головок, для которых принцип радиального перемещения резьбонакатных роликов одинаков, а усилия, действующие на сферические подшипники и копир, различны по величине.

Конструкция головки может иметь два исполнения. В головке первого исполнения (рис. 18, а) корпус выполнен подвижным, а фланец 14 прикреплен неподвижно к центральному колесу 10. В головке второго исполнения (рис. 18,6) подвижным выполнено центральное колесо, а фланец 14 неподвижно прикреплен к корпусу 12. Эксцентриковые оси в головке первого исполнения в процессе накатывания правой резьбы поворачиваются по часовой стрелке, а эксцентриковые оси головки второго исполнения--против часовой стрелки.

По длине резьбы головку настраивают путем осевого перемещения упорного фланца 3, а по диаметру--углового перемещения дисков 6 и 1 относительно корпуса 12 (с помощью винтов 19).Шпильки 18 при этом должны быть ослаблены. Конусность резьбы задают с помощью сменного копира 21.

При работе конец трубы закрепляют в специальном зажимном устройстве станка и подают вращающуюся головку с усилием осевого подпора на обточенный заранее на конус конец трубы. Резьбонакатные ролики, захватив заготовку, перемещатся в осевом направлении вместе с суппортом. В это время шток 17 вместе с пальцем 15 останавливаются, так как фланец 3 упирается в конец трубы. При осевом перемещении корпуса 12 с копиром 21 относительно пальца 15 последний (для головки первого исполнения) поворачивается на угол, определяемый профилем копира 21. В головке второго исполнения поворачиваются центральное колесо, зубчатые колеса 9 и эксцентриковые оси 8. Поворот эксцентриковых осей обеспечивает радиальное перемещение резьбонакатных роликов, которое задается копиром и согласовывается с осевым перемещением головки.

После накатывания резьбы заданной длины головка автоматически раскрывается (так как сферический подшипник попадает на участок копира с большим углом наклона), а затем принимает первоначальное положение благодаря тому, что упорный диск 11 взаимодействует с неподвижными упорами, установленными на станке, а корпус или центральное колесо, перемещаясь в осевом направлении, одновременно поворачивается (под действием усилий, возникающих при взаимодействии подвижного копира с неподвижным сферическим подшипником).

Во ВНИИметмаше разработаны головки двух типоразмеров--РНГВ-73 для накатывания резьб длиной до 67 мм на бурильных трубах диаметром 73 мм и РНГВ-114 для накатывания резьб длиной 86 мм на трубах диаметром 114 мм; конусность резьбы 1/16, шаг 3,175 мм.

Резьбонакатные ролики для этих головок взаимозаменяемы. Они прошли промышленные испытания на Первоуральском новотрубном заводе.

При накатывании резьбонакатными головками производительность станка увеличилась в 1,4 раза по сравнению с производительностью этих же станков при использовании трубонарезных патронов ТН4К, однако при накатывании трудоемкость обработки концов труб несколько выше, чем при нарезании.

Основные недостатки резьбонарезных головок:

1) накатывание головкой резьбы только одного диаметра;

2) отсутствие регулировки конусности, которая получается за счет копира, имеющего сложный и нетехнологичный для изготовления профиль;

3) относительно большие габариты головок (масса 200--215 кг).

Малогабаритная резьбонакатная головка модели РНГТМ-1 предназначена для накатывания резьб диаметром 3--10 мм.

В центральном отверстии корпуса помещена контргайка специальной формы, жестко фиксирующая упорный винт. На корпусе установлены втулка и кольцо выключения, состоящее из задней крышки и кольца, в отверстиях которого размещены пальцы. На передней части корпуса базируется регулировочное кольцо, в резьбовых отверстиях которого закреплены колонки с проставочными втулками.

Резьбонакатная часть головки состоит из резьбонакатных роликов, установленных на осях, которые базируются в отверстиях кулачков. Кулачки имеют две жесткие опоры в виде цилиндрических хвостовиков и установлены в отверстиях передней части корпуса и передней крышки. В отверстиях верхней части кулачков расположены ползуны, которые своим квадратным концом входят в пазы регулировочного кольца. В коленообразных винтовых пазах корпуса на пальцах установлены ролики. От осевого перемещения втулка удерживается пружинным кольцом. В центральном отверстии корпуса установлен сердечник, в который ввернут упорный винт.

Для настройки на заданный размер резьбы необходимо посредством регулировочных винтов повернуть через штифт регулировочное кольцо относительно втулки, т. е. сблизить или развести резьбонакатные ролики. Открытие головки в конце накатывания производятся пружинами, воздействующими на штифты.

Резьбонакатная головка модели РНГТМ-1 работает так же, как и головки модели РНГТ. Головка может быть использована в работе как вращающаяся и как стационарная (невращающаяся). При относительно небольших габаритах головка охватывает больший диапазон диаметров накатываемых резьб по сравнению с серийно изготовляемыми головками модели ВНГН.

Испытания головки показали стабильную работу, что позволяет рекомендовать ее для использования в промышленности.

Тангенциальные резьбонакатные головки типа ТНГС, разработанные ВНИИ с синхронизацией вращения накатывающих роликов [25, 26], обеспечивают получение окончательно обработанных резьбовых деталей небольшой длины на автоматическом токарном оборудовании. При этом процесс накатывания не выделяется в отдельную операцию, требующую применения специализированных резьбонакатных станков.

Резьбонакатная головка (рис. 19) состоит из корпуса 1, в пазах которого установлены удерживаемые прижимными планками 13 и 2 ролико держатели 12 и 3, в которых на твердосплавных осях 8 установлены реэьбонакатные ролики 18 с винтовой резьбой. Возникающее при накатывании осевое перемещение роликов воспринимается твердосплавными втулками 11.

В торцовые шпоночные пазы резьбонакатных роликов входят выступы зубчатого колеса 9, фиксируемого от осевого перемещения бронзовыми втулками 7. От поворота и продольного перемещения твердосплавные оси 8 удерживаются винтами 10. Резьбонакатные ролики связаны между собой механизмом синхронизации их вращения, включающим зубчатые колеса 4. 6, 9 и центральное колесо 21, установленное на компенсаторе 23, в пазы которого входят пружины 24. Центральное колесо с компенсатором может поступательно перемещаться при вращении центральной оси 25 в резьбовом отверстии опоры 26. Такое перемещение вызывает поворот кинематически связанных с ним резьбонакатных роликов, благодаря чему достигается их точная настройка по шагу обрабатываемой резьбы.

Настройка инструмента на диаметр накатываемой резьбы производится вращением винтов 16 и 14 с правой и левой резьбой, связанных между собой крестовиной 15. Вращение этих винтов приводит к радиальному перемещению роликодержателей с роликами, т. е. к изменению диаметра накатываемой резьбы. Инструмент настраивается при отжатых стопорных винтах 17 и гайках 5.

Тангенциальные резьбонакатные головки модели ТНГС позволяют регулировать конусность обрабатываемой резьбы поджатием или ослаблением регулировочных винтов 19 с последующей фиксацией положения роликодержателей стопорными винтами 20, установленными с двух сторон резьбонакатной головки в верхней и нижней опорных планках 22 и 27.

Перед установкой головки на станок с помощью установочного шаблона с микрометрическим винтом настраивается длина рабочего хода поперечного суппорта станка.

Изготовление тангенциальных резьбонакатных головок модели ТНГС двух типов (ТНГС-1, ТНГС-2) освоено Московским заводом режущих инструментов «Фрезер».

Головки внедрены на промышленных предприятиях при изготовлении резьб степеней точности до 4h (ГОСТ 16093--70) при шероховатости поверхности в пределах Ra?0,63 мкм (ГОСТ 2789--73). Головки обеспечивают в сочетании с высокой точностью и эксплуатационной надежностью инструмента возможность изготовления на автоматическом токарном оборудовании широкой номенклатуры деталей с цилиндрической и

конической, правой и левой резьбами из разнообразных материалов. в том числе труднообрабатываемых.

Годовой экономический эффект от внедрения одного комплекта роликов -- не меньше 1000 руб.

Тангенциальная резьбонакатиан головка типа ТНГН-2 разработана и серийно изготовляется московским заводом режущих инструментов «Фрезер» [27] для накатывания наружных резьб диаметром 6--14 мм.

Резьбонакатная головка (рис. 20) состоит из державки 1 с планкой 2, закрепленной винтом 3, который, кроме того, удерживает от выпадания ось 4. В отверстии державки 1 на оси 4 установлен корпус 5, который выставляется по оси головки винтом 6 и фиксируется гайкой 7. В отверстиях корпуса 5 друг против друга на эксцентриковых осях 8 установлены резьбонакатные ролики 9 с многозаходной резьбой. Вращение резьбонакатных роликов относительно друг друга не синхронизировано. От осевого перемещения резьбонакатные ролики 5 удерживаются опорными шайбами 10 и 15, которые отпроворота зафиксированы винтом 11 и штифтом 14. Для свободного вращения резьбонакатных роликов 9 между ними и эксцентриковыми осями 8 расположены игольчатые ролики 12, между которыми установлено проставочное кольцо 13. Звездочка 16 и винт 17 предотвращают поворот эксцентриковых осей 8 в процессе накатывания.

В процессе накатывания тангенциальными головками с поперечной подачей неизбежны небольшие осевые перемещения резьбонакатных роликов и головки. Для уменьшения этого в головке предусмотрены тарельчатые пружины 18 и 19. установленные на оси 4 и эксцентриковой оси 8.

Для установки резьбонакатной головки в различные модели станков, автоматов и полуавтоматов державка резьбонакатной головки может иметь два исполнения: при первом (см. рис. 20, а) -- державка выполняется прямоугольного сечения; при втором (см.рис.20,б)--державка имеет «ласточкин хвост» с установочной планкой 2, закрепленной на державке винтом 23, что позволяет регулировать расположение головки в осевом направлении винтом 22 с фиксацией после перемещения гайкой 24.

При работе головку, установленную на поперечном суппорте автомата, от кулачка подают на вращающуюся заготовку. При совпадении оси резьбонакатных роликов с осью заготовки головка быстро отводится назад в исходное положение.

Простота конструкции и технологичность изготовления головки--преимущества ее по сравнению с тангенциальными головками с синхронным вращением резьбонакатных роликов.

Недостатки головки:

1) небольшой диапазон диаметров накатываемых резьб из-за наличия в конструкции эксцентриковых осей. что увеличивает номенклатуру головок по сравнению с существующими тангенциальными головками с синхронным вращением роликов.

2) нестабильность накатывания резьб с точностью выше седьмой степени при шероховатости профиля Rа?1,25 мкм.

8. РАСЧЕТ СИЛ ПРИ НАКАТЫВАНИИ РЕЗЬБ

Силы при накатывании резьб и их распределение по отдельным виткам роликов и роликам--основные факторы, определяющие конструктивные размеры отдельных узлов резьбонакатных головок и работоспособность роликов.

Однако до настоящего времени не были установлены общие основные параметры процесса накатывания резьб, определяющие нагрузки на ролики, и их влияние на силы, возникающие при накатывании.

Проведенные эксперименты выявили влияние на силы при накатывании только отдельных частных факторов, как, например, шаг резьбы, диаметр роликов и т. д., причем изменяющихся в узких диапазонах [19, 28].

Такие исследования носят ограниченный характер, и рекомендации оказываются неправомочными при изменении условий накатывания, например, диаметра ролика или заготовки, длины заборной и калибрующей частей ролика и др.

Исследованиями ВНИИ установлены основные параметры процесса накатывания и их влияние на возникающие силы при различных условиях эксплуатации.

За основные параметры процесса накатывания, определяющие нагрузку на отдельные витки роликов и ролики в целом, приняты *средняя толщина выдавливаемого слоя аср, приходящаяся на периметр контакта 1ц витков заборной части ролика с заготовкой в плоскости, проходящей через ось заготовки, площадь контакта Sк витков ролика и периметр контакта lп.к витков калибрующей части ролика.

Тогда в общем виде зависимость радиальной силы Рр, возникающей при накатывании, может быть выражена зависимостью

где х, у, и z--степени влияния соответствующих параметров;

С--величина, постоянная для данных условий.

Аналогично может быть выражена тангенциальная сила Рт.

Средняя толщина выдавливаемого слоя

где F--площадь выдавливаемого слоя в плоскости контакта.

Площадь контакта второго и всех последующих витков ролика

где lк--длина дуги контакта,

Для первого витка

Значения площадей контакта, рассчитанные по этим формулам, превышают фактические площади на 3--7% в зависимости от диаметров ролика Dр и заготовки Dз и величины внедрения витков Нв.н что не оказывает практического влияния на величину определяемых сил.

Подставив значения аср и Sк в уравнение (5) получим в общем виде следующую зависимость:

Среднее значение силы, действующей на ролик:

где f, lк.з, lп.к --средние значения параметров процесса накатывния, относящиеся к одному ролику;

f--выдавливаемая площадь, мм2;

lп.з, lк.з --периметр и длина дуги контакта витков заборной части, мм;

lп.к -- периметр контакта витков калибрующей части, мм.

Произведение lп.з lк.з не является средней контактной площадью, а лишь косвенно ее характеризует. Результаты экспериментов и математический вывод зависимостей показали целесообразность использования в качестве одного из основных параметров процесса накатывания такого произведения, что не исключает возможность замены его на площадь контакта.

В схемах для расчета параметров F, lп. и lк. (рис. 21) выдавливаемая площадь и периметр контакта зависят от величины внедрения витков ролика и их формы, а длина дуги контакта--от величины внедрения и диаметров ролика и заготовки.

В зависимости (6) степени влияния х, у и z и постоянная С определяются экспериментальным путем. Для расчета средних значений параметров f, lп.з, lк.з, lп.к предварительно определяются параметры F, lп. и lк для каждого витка роликов и находится их сумма. При этом учитывается, что каждый виток роликов, за исключением первого вступающего в работу витка, воздействует и на металл, выдавленный предыдущими витками (рис, 22).

В табл. 7 приведены основные формулы и коэффициенты для определения параметров процесса накатывания приминительно к резьбам: трапецеидальной однозаходнойпоГОСТ 9484--73, трубной цилиндрической по ГОСТ 6357--73 и резьбы насосно-компрессорных труб и муфт по ГОСТ 633--63 (при Нв.н?НR для F и lп).

Рис. 21. Схема для расчета: а - длины дуги контакта; б -- выдавливаемой площади и периметре контакта

Длина дуги контакта (см. рис. 22) определяется по формуле

Угол г определяется из зависимости

Методика расчета значений основных параметров процесса накатывания состоит из следующих этапов.

1. Определение полной (накопленной) величины внедрения Нв.н для каждого витка по фактическим перепадам высот витков роликов и величина внедрения калибрующих витков Нвнк в заготовку от ее диаметра;

где hi --перепад между вершинами калибрующего и рассматриваемого витка,

2. Определение фактической величины внедрения hвн.



Рис. 22. Совмещенное расположение витков и выдавливаемая ими площадь. Индексами 1, i-1, i обозначены порядковые номера витков

Таблица 7

3. Определение величины выдавливания Нвыд, которая устанавливается из условий постоянства объема до и после деформации.

Для удобства расчетов произведена замена объема на площадь, что для практических случаев накатывания головками обусловливает погрешность в величине Нвыд не более 3%:

Формулы для определения Fi и значения коэффициентов А и В приведены в таблице.

Расчетные и экспериментальные величины Нвыд хорошо согласуются между собой.

При определении величины выдавливания Нвыдк калибрующего витка в формулу подставляются значения Нвнк и Fк.

При определении Fк в формулы F=f(Нвн) для витка с радиусной вершиной и Fк=ц(Нвн) для витка с плоскосрезанной вершиной (см. табл. 7) подставляются значения Hвн=Hвнк.

Значение Нвнк рассчитывается из условия равенства площадей Fк и Fвыд до и после деформации, что обеспечивается при Hґвнк =tґ--Hвдк, где tґ=t+Дt- наибольшая высота профиля накатываемой резьбы, мм; t --номинальная высота профиля резьбы, мм;

Дt --половина нижнего отклонения на внутренний диаметр резьбы, мм.

4. Определение полной (накопленной) величины внедрения Нвн.ф с учетом металла, выдавленного предыдущими витками:

5. Определение общей (накопленной) площади деформации F, нарастающей от витка к витку (см. табл. 7) путем подстановки значений Нвн.ф.

6. Определение условной величины Hґвн.ф от внедрения данного витка:

7. Определение условной величины Fґ путем подстановки значений Hґвн.ф.

8. Расчет фактической площади, деформируемой одним витком:

9. Расчет периметра контакта lп путем подстановки значений Hвн.ф.

10. Расчет длины дуги контакта lк [см, формулу (7)], причем значение х определяется по фактической величине внедрения hвн.

В результате экспериментов при накатывании резьбы на стали 45 твердостью НВ 190--212 получена следующая зависимость:

где f/lп.з--средняя толщина деформируемого слоя.

Зависимость (9) получена при накатывании наружной трапецеидальной резьбы с шагом 5, 6, 8 и 10 мм с использованием заготовок роликов Dз=140ч112 мм и Dр =80ч130 мм, что обусловило следующие параметры процесса накатывания: f/lп.з =0,05ч0,25 мм, lп.з=6ч20 мм, lк.з=5ч10 мм, lп.к = 10ч56 мм.

Расчетное значение сил с достаточной для практики точностью согласуется с экспериментальными данными.

Полученная зависимость отличается универсальностью и позволяет определять значения сил независимо от типа и шага накатываемой резьбы, диаметров роликов и заготовки и различий в конструктивных параметрах резьбовых витков роликов.

С помощью этой формулы может быть проверена, в частности, оптимальность создаваемых конструкций роликов.

Значение тангенциальной силы по экспериментальным данным составляет 0,12--0,15Рр.

Анализ полученной зависимости показывает, что с уменьшением толщины выдавливаемого слоя, произведение периметра и длины дуги контакта витков заборной части и периметра контакта витков калибрующей части силы при накатывании уменьшаются. Оптимальность конструкций отдельных витков роликов и роликов в целом может быть оценена по величинам параметров процесса накатывания, которые они обусловливают. В частности, оптимальное количество витков на калибрующей части роликов nк=2.

В установленной зависимости произведение lп.з lк.з косвенно характеризует площадь контакта Sк.

В дальнейшем предполагается установить зависимость, в которой это произведение будет заменено Sк.

Таблица 8

Установленная зависимость действительна при накатывании резьб в конструкционной углеродистой стали твердостью НВ 183--201.

При изменении твердости необходимо пользоваться поправочными коэффициентами (табл. 8), установленными из условий пропорциональной зависимости величин сил от твердости.

9. РАСЧЕТ РОЛИКОВ К РЕЗЬБОНАКАТНЫМ ГОЛОВКАМ

В большинстве рассмотренных конструкций резьбонакатных головок (типов ВНГН, ГУР, РНГМ и др.) перемещение роликов к оси и от оси заготовки осуществляется с помощью эксцентрикового устройства. Диаметр роликов при этом должен быть выбран таким образом, чтобы обеспечить надежную работу механизма раскрытия и минимально необходимый зазор между роликами и деталью при отводе головки.

Зазор Д между роликами и деталью (рис. 23) аналитически может быть представлен зависимостью

где О1О--межцентровое расстояние между эксцентриковой осью и деталью, мм (величина, постоянная для данной конструкции головки определенного типоразмера);

е--эксцентриситет, мм;

цр -- угол раскрытия, град;

Dр--наружный диаметр ролика, мм;

Dд -- наименьший внутренний диаметр детали, мм.



Рис. 23. Схема расположения ролика и заготовки: 1 -- в момент накатывания;

2--3 момент раскрытия

В момент накатывания зазор Д=0 и цр=цн. При этих условиях

Во избежание заклинивания эксцентриковых осей и обеспечения безотказного быстрого раскрытия головки в конце хода угол цн следует принимать равным 50--55°.

После раскрытия головки зазор должен быть:

где Д'--зазор между наружными диаметрами роликов и накатываемой резьбы;

где t -- теоретическая высота профиля накатываемой резьбы, мм;

Н0d1--нижнее отклонение по внутреннему диаметру, принимаемое для меньшей степени точности накатываемы резьб.

Зазор Д' принимается равным для метрических резьб диаметром до 5 мм 0,5 мм, диаметром 5--20 мм--1 мм, для резьб большего диаметра-- 1,5 мм. Для трапецеидальных резьб зазор Д'=2--4 мм в зависимости от длины, диаметра и шага накатываемой резьбы.

При величине зазора Д, определенной по формуле (11), угол раскрытия цр не должен превышать 170°:

При цр> 170° накатывание рекомендуется производить головкой другого типоразмера.

Рассчитанное значение наружного диаметра ролика обычно округляют до целого числа.

Наружный диаметр резьбы ролика для резьбонакатных головок тангенциального типа может быть определен [29] по зависимости

где Kр и Kи--число заходов ролика и изделия;

dз и dв--диаметр заготовки и внутренний диаметр накатываемой резьбы, мм;

Pср = (3,5--4) Хт--удельное среднее давление, МПа;

Е--модуль упругости обрабатываемого металла, МПа;

Хт -- предел текучести, МПа.

После определения наружного диаметра ролика определяют его средний и внутренний диаметры, для чего рассчитывают значение высот головки t1р и ножки t2р витка ролика (расстояния от среднего диаметра до вершин выступов и впадин витков калибрующей части), обеспечивающие возможность работы как открытым, так и замкнутым контуром.

Для трапецеидальной резьбы

где ;t1 и t2--номинальная рабочая высота головки и ножки накатываемой резьбы;

Р-- шаг накатываемой резьбы, мм;

Дизг--допуск на изготовление, мм;

где H1-- рабочая высота профиля резьбы, мм.

Радиус при вершине R=0,19 Р.

Допуск на изготовление принимается равным для шагов Р?2 мм 0,02 мм; для Р=2,5ч5 мм--0,03 мм и для Р>5 мм--0,04 мм.

В случае прямолинейной вершины у витков калибрующей части роликов

где ас -- номинальный зазор в резьбовом соединении (ГОСТ 9484--73). Для метрической резьбы



где t2=0,217Р и t1=0,325Р.

Радиус при вершине R=0,126Р.

Допуск на изготовление принимается равным 0,01 мм (Р?1 мм); 0,02 мм (Р=1,25--3,0 мм) и 0,03 мм для больших шагов.

В случае прямолинейной вершины у витков калибрующей части роликов

где t1=t2=0,32Р (ГОСТ 6357--73).

Радиусы при вершине и впадине витка ролика R1=(0,136Р--0,043) мм и R2= (0,137Р+0,026) мм.

Ширина роликов Вр определяется по максимальному шагу резьбы, накатываемой данной головкой. За основу берется ролик с односторонней заборной частью (первый в комплекте):

где nз--количество витков на заборной части;

l1--расстояние от переднего торца до первого витка заборной части;

lґ1--расстояние от заднего торца до последнего витка калибрующей части.

При определении ширины ролика принимали nз=2 или nз=3 (максимально возможное количество витков), С целью уменьшения сил накатывания число витков калибрующей части следует назначать наименьшим, т. е. nк=2 читывая уменьшение расстояния l1от ролика к ролику за счет смещения витков на величину P/z приводящее к уменьшению количества полных калибрующих витков на ряде роликов, принимаем для первого ролика nK=3.

С уменьшением шага накатываемой резьбы при неизменном l1 размер lґ1 будет увеличиваться.

Ширина первого ролика при двусторонней заборной части связана с параметрами ролика соотношением

где l1=Р/2+Дl и lґ1=(z-1)P/z+l1, причем поправка Дl?0.

Здесь учтено, что при работе другой стороной ролика первый ролик должен работать, как последний.

При заданных ширине и параметрах ролика поправка Дl на величину l1 и lґ1 определяется из зависимости

Основные методические положения по конструированию заборной части роликов с конической схемой расположения кольцевых витков на заборной части (см. рис. 22), разработанные применительно к роликам для накатывания резьбы на водогазопроводных трубах [30], распространяются также на ролики для накатывания резьбы на сплошных изделиях и сводятся к следующему;

1) выбор закона распределения Fi=f(i) площадей, деформируемых отдельными витками;

2) определение общей (накопленной) площади деформирования УFi=ш(i), нарастающей от витка к витку с учетом установленного закона распределения;

3) установление закона изменения F=ц(Hвн). Деформируемой площади от величины Hвн подъема витков (глубины внедрения вершины витка в заготовку) при принятой форме витков заборной части;

4) определение величины Hвн подъема каждого витка из зависимости F=ц(Hвн) путем подстановки в нее значения УFi , относящегося к данному витку.

В этих закономерностях i--порядковый номер витка, количество которых может изменяться от 1 до п (п--количество витков на заборной части).

Этапы расчета рабочей части роликов

1. Высота профиля и форма витков калибрующей части назначаются в соответствии с установленными зависимостями.

2. Радиус при вершине витков заборной части Р принимается равным радиусу при вершине витков калибрующей части, т. е. 0.126Р для метрической резьбы, 0.19Р для трапецеидальной и 0,137P--0,043 для трубной резьб.

3. Величина внедрения витков калибрующей части Hвн.к заготовку определяется из условия равенства выдавливаемой и выдавленной площади, что практически допустимо, причем должно соблюдаться условие

где Hвыд-- высота выдавленного профиля;

t1 -- номинальная стандартная высота головки образуемой резьбы при заданной ее форме.

Для метрической резьбы Hвн.к=0.31Р при t1=0,325Р с прямолинейной вершиной; для трапецеидальной резьбы Hвн.к=0,35Р при t1=0,25Р; для трубной резьбы Hвн.к =0,ЗЗР при t1=0,ЗЗР с закругленной вершиной (R=0,137Р+0,026).

4. Величина внедрения первого витка Hвн.1, назначается равной Hвн.1=0,25Р. Такая величина всегда обеспечивает контакт первого витка с заготовкой при нагрузке на первый виток значительно меньшей, чем на любой последующий виток, что улучшает условия захвата заготовки роликов в начальный момент накатывания.

5. Площадь F=ц(Hвн) , выдавливаемая отдельными витками при закругленной вершине витка (см. рис. 21, б), определяется из следующих зависимостей:

при Hвн?HR

при Hвн?HR

где

6. Площадь Fк общая (накопленная) площадь деформирования, приходящаяся на первый калибрующий виток, определяется из зависимости (12), путем подстановки при Hвн.к=Hвн.

7. Площадь деформирования Fi и суммарная площадь деформирования УFi, приходящаяся на каждый виток, начиная со второго, определяется с использованием зависимостей

где dґ--разность прогрессии.

Эти зависимости установлены из условия, что деформируемые площади распределяются по отдельным виткам по закону арифметической прогрессии.

Разность прогрессии выбирается так, чтобы площадь, деформируемая последним витком, была в два-три раза меньше площади, деформируемой вторым витком.

8. Величина внедрения каждого витка при Hвн определяется с использованием зависимости (12) путем подстановки в нее общей площади деформирования УFi, относящейся к данному витку, из зависимости (13); величина занижения витков заборной части относительно калибрующих витков представляет разность Hвн.к-Hвнi.

ВЫВОДЫ

1. На основании анализа отечественной и зарубежной литературы. последних исследований и опыта практического использования даны рекомендаций по конструированию, особенностям изготовления и области применения метчиков различных модификаций, резьбонарезных резцов (гребенок), резьбонакатных головок и роликов к ним.

2. Существенный резерв увеличения производительности процесса и стойкости инструмента--конструирование метчиков из расчета наименьшей толщины срезаемого слоя 0,008--0,015 мм и увеличенного числа канавок.

3. Установлен важный критерий работоспособности метчиков, связанный с обеспечением удовлетворительных условий для размещения стружки в канавках метчиков и характеризуемый коэффициентом помещаемости Кс=0,5.

4. При нарезании точных резьб степени точности 4 и класса Ао следует применять метчики с бочкообразными зубьями. При этом наиболее эффективны и технологичны в изготовлении конструкции метчиков с режуще-ведущими зубьями, у которых ведущие участки начинают сразу от передней поверхности.

...