автореферат диссертации по обработке конструкционных материалов в машиностроении, 05.03.01, диссертация на тему:Работоспособность твердосплавных метчиков на автоматизированных станках

ВВЕДЕНИЕ

1. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ II

1.1. Предпосылки оснащения метчиков твердым сплавом

1.2. Анализ причин выхода метчиков из строя

1.3. Оценка точности резьбы и возможности ее обеспечения

1Л. Общая методика работы

2. АНАЛИЗ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ РЕЖУЩИХ ЛЕЗВИЙ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ МЕТЧИКОВ С ОБРАБАТЫВАЕМОЙ ДЕТАЛЬЮ

2.1. Экспериментальное определение температуры в зоне резания

2.2. Анализ разрушения твердосплавных метчиков ^

2.3. Экспериментальное определение составляющих сил резания

2.3.1. Силы резания при прямом ходе

2.3.2. Определение сил, действующих на метчик при реверсе

2.3.3. Теоретическое определение нескомпенсированной составляющей силы резания, вызванной разной длиной рекущих кромок

2.3.4. Экспериментальное определение не скомпенсированной составляющей силы резания

3. РАСЧЕТ ПРОЧНОСТИ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ МЕТЧИКА

3.1. Расчет прочности при статическом нагружении при кручении £

3.2. Расчет напряжений в твердосплавном метчике с учетом распределения нагрузки и температуры ц

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ РАБОТОСПОСОБНОСТИ ТВЕРДОСПЛАВНЫХ МЕТЧИКОВ

4.1. Исследование циклической прочности

4.1.1. Методика исследований

4.1.2. Результаты эксперимента

4.2. Исследование точности резьбы, нарезаемой твердосплавными метчиками

4.3. Конструкции метчиков и оснастки 166 ПРОИЗВОДСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ МЕТЧИКОВ И АНАЛИЗ ИХ ЭФФЕКТИВНОСТИ

5.1. Выбор марки твердого сплава при нарезании резьбы на автоматизированных станках в деталях из чугуна

5.2. Испытание твердосплавных метчиков с коническим хвостовиком

5.3. Работоспособность твердосплавных метчиков при обработке сталей, алюминия, латуни

5.4. Испытания метчиков при обработке точных резьб

5.5. Влияние упрочнения на работоспособность твердосплавных метчиков

5.6. Анализ экономической эффективности применения твердосплавных метчиков

5.6.1. Результаты испытаний опытно-промышленных партий метчиков

5.6.2. Организация серийного изготовления твердосплавных метчиков

5.6.3. Экономическая эффективность твердосплавных метчиков при их серийном изготовлении

В современном машиностроении большое внимание уделяется созданию высокопроизводительных станков и автоматических линий, работаощих в условиях многоинструментальных наладок. Применение инструментов из быстрорежущих сталей не всегда удовлетворяет возрастающим требованиям к производительности обработки и стойкости инструмента.

В то же время сравнительно низкая ударная вязкость износостойких и хрупких твердых сплавов и, вследствие этого, частые выкрашивания режущих кромок твердосплавных инструментов приводят к недостаточной надежности некоторых видов инструмента, что отрицательно сказывается на работоспособности автоматических станков и линий.

Поэтому на автоматических станках и линиях проходные резцы, торцевые фрезы, зенкеры и некоторые другие виды инструмента оснащают твердым сплавом, а для сложнопрофильных инструментов, например метчиков, чаще всего применяют быстрорежущие или другие инструментальные стали.

Одним из наиболее распространенных обрабатываемых материалов на автоматических станках и линиях являются различные литейные чугуны: серый, ковкий, высокопрочный, отбеленный, из которых изготавливаются фитинги, корпусные детали станков и двигателей, гидроцилиндров и гидронасосов, каландровые валы и т.п. Для расточки отверстий в этих материалах применяют твердосплавные зенкеры, а нарезание резьбьг чаще всего производится метчиками из быстрорежущей стали, что из-за их значительно меньшей износостойкости сдерживает рост производительности автоматического оборудования.

Инструментальными заводами и машиностроительными предприятиями ежегодно изготавливаются метчики на сумму свыше 150 млн, рублей, что составляет 10% общего выпуска металлорежущего инстру * • мента и 60% всего резьбообразующего /67/.

Дефицит вольфрама - важнейшего компонента инструментальных материалов, идущих на изготовление метчиков, значительно обострил вопросы рационального и экономного использования метчиков.

На замену метчиков из быстрорежущих сталей начали в некоторых случаях успешно использовать метчики, у которых режущие элементы оснащаются твердым сплавом. За счет высокой износостойкости твердых сплавов удается снизить расход вольфрама на единицу нарезаемых изделий. При этом, благодаря высокой износостойкости метчиков, значительно сокращается брак по качеству резьбы.

Наиболее полные исследования по отработке конструкции твердосплавных метчиков выполнены А.Д.Агеевым, Н.И.Дедушенко, В.М.Эп-J штейном,. '• > АД.Акжоловым /I, 2, 24-, 98/. В результате этих исследований были определены геометрические и конструктивные параметры машинных метчиков средних размеров,предназначенных для нарезания цилиндрических резьб в деталях из чугуна различных марок, установлено, что наиболее экономичными и надежными в работе по сравнению с цельнотвердосплавными и с припаянной твердосплавной головкой являются метчики с припаянными к стальному корпусу твердосплавными пластинами. Расчеты напряженно-деформированного состояния метчиков и экспериментальная проверка этих расчетов позволили определить величину критического износа, при котором метчик разрушается от действия крутящего момента. Выполнены также исследования надежности твердосплавных метчиков, изготовленных по различным технологическим схемам с применением одно- и многониточных алмазных кругов. Подробное исследование процессов алмазного шлифования резьбы твердосплавных метчиков проведено Г.ВЛайкой /92-94/.

В результате этих работ к настоящему времени решены задачи, связанные с изготовлением твердосплавных метчиков: разработаны специальные алмазные круги для затылования метчиков и для шлифования резьбы, некоторыми заводами освоена технология изготовления твердосплавных метчиков.

Однако практика эксплуатации твердосплавных метчиков показала, что даже при обработке таких материалов, как ковкий и/серый чугун, на которых преимущества метчиков, оснащенных твердым сплавом, наиболее очевидны, внедрение их взамен метчиков из быстрорежущей стали далеко не всегда проходит успешно. Это видно из факта, что доля твердосплавных метчиков от всех метчиков при нарезании резьб средних размеров в деталях из чугуна на некоторых предприятиях (Косогорский металлургический завод, Кролевецкий арматурный завод и др.) в 1979-1981 гг. довольно высока (от 20 ■ -- V • 1- У » ' * до 90%), тогда как на других крупных предприятиях (Минский завод отопительного оборудования, Харьковский завод "Серп и Молот") твердосплавные метчики в основном производстве практически не используются.

Аналогичные результаты получены и за рубежом. В США, например, твердосплавные метчики широко рекламировались в 1963-1965гг. /107, 108/. В 1981-1982 гг. появились сведения рекламного характера японской фирмы "Сумитомо" о больших преимуществах твердосплавных метчиков при обработке чугуна, алюминия, спеченных металлов и неметаллических материалов. Срок службы твердосплавных метчиков был больше, чем метчиков из стали быстрорежущая сталь) в »

30-100 раз.

Однако установлено, как при разработке стандарта на твердосплавные метчики (ГОСТ 19879-74), так и при его пересмотре в 1 ,1982 г., что твердосплавные метчики в стандарты ни в одной из зарубежных стран не введены, а использование их незначительно.

Эти данные показывают, что существуют объективные причины, сдерживающие применение этого эффективного инструмента на предприятиях: с автоматизированным оборудованием. В условиях многоинструментальной наладки при одновременном нарезании резьбы несколькими метчиками в одной детали возникающие от каждого из метчиков нескомпенсированные радиальные составляющие силы резания вызывают смещение детали и влияют на условия работы других инструментов. При меньшей ударной вязкости и прочности на изгиб твердого сплава по сравнению с быстрорежущей сталью, эти силы-могут вызвать разрушение твердосплавного метчика, что часто и наблюдается в производстве. Конструкция твердосплавного метчика, рассчитанная из условия нагружения только крутящим моментом /I, 2, 102/ и предназначенная для условий од-ноинструментальной наладки, в случае многоинструментальной наладки оказывается недостаточно прочной из-за выкрашивания режущих кромок.

Целью данной работы является повышение эффективности процесса нарезания резьбы на автоматизированных станках путем оптимизации конструктивных и геометрических параметров метчиков, оснащенных твердосплавными пластинами, и условий их эксплуатации на основе изучения взаимодействия инструмента с деталью.

В результате выполнения комплексного исследования работы твердосплавных метчиков при эксплуатации на одно- и многошпиндельном оборудовании установлены зависимости влияния утла заборного конуса, заднего и переднего углов, радиуса округления режущей кромки метчика и твердости обрабатываемого материала на величину тангенциальной и радиальной составляющей силы резания; с учетом несбалансированных сил, действующих на метчик при работе на автоматизированных станках, температуры в зоне резания и температуры пайки определены напрядения в режущих элементах метчика; выявлен усталостный характер разрушения твердосплавных метчиков в случае отсутствия защемления стружек при обратном ходе; по величине эквивалентных напр!жений, рассчитанных по критерию Писаренко - Лебедева и количеству циклов нагру-жений до разрушения режущих лезвий,установлен оптимальный диапазон величины угла заборного конуса и предложены пути повышения работоспособности метчиков за счет снижения уровня напряжений и повышения усталостной прочности твердого сплава, предложены новые конструкции твердосплавных метчиков (а.с. 496122,818785, определены условия их применения, диапазон размеров резьб и обрабатываемых материалов, где применение твердосплавных метчиков эффективно.

В работе защищаются:

1. Методики: экспериментального определения тангенциальной, радиальной, осевой и нескомпенсированной радиальной составляющей силы, возникающей при нарезании резьбы метчиками; оптимизации кон* структивных: параметров режущей части на основании вероятности разрушения при циклическом гармоническом нагружении; теорети -ческого определения неуравновешенной длины режущей кромки метчика.

2. Результаты: экспериментальных и теоретических исследований по указанным в п.1 методикам; по надежности работы метчиков в условиях автоматизированного производства; по точности наре-, заемой резьбы, оценке напряженно-деформированного состояния твердосплавной части метчика и эффективности применения метчиков.

3. Новые конструкции метчиков, способ повышения прочности твердосплавных метчиков путем магнитно-абразивного полирования их рабочей части.

На основе проведенных исследований созданы и прошли промышленную апробацию конструкции метчиков, работающих на многошпиндельном автоматизированном оборудовании. Разработка принята Министерством строительных материалов СССР и Министерством станко-инструментальной промышленности. Сестрорецким инструментальным заводом освоено их производство. Экономический эффект от внедрения насадных метчиков на многошпиндельных станках мод.СМ102М только на двух заводах составляет 143 тысячи рублей в год.

Работа выполнялась в отделе обработки металлов резанием и деформированием Института сверхтвердых материалов АН УССР.

Большая помощь в проведении экспериментов и сборе данных была оказана сотрудниками института Мослаником Л.Д», Гайдаем Б.А. и сотрудниками Ржище вского^авода "Радиатор", Ворошиловградского литейно-механического завода, Главсантехпрома Минетройматериалов и др. В организации постановки метчиков на производство активную работу провели сотрудники Сестрорецкого инструментального завода И.А.Ординарцев, Е.Н.Соловьев, О.В.Самарин, а также сотрудники ВНИИ (инструментального).

Автор выражает свою благодарность и признательность сотрудникам ИСМ АН УССР и работникам заводов за оказанную помощь при выполнении работ.

I. СОСТОЯНИЕ ВОПРОСА И ПОСТАНОВКА ЗАДАЧ ИССЛЕДОВАНИЯ

В подавляющем большинстве резьбовых соединений в машиностроении используются резьбы в диапазоне диаметров от 6 до 42 мм. Для получения внутренней резьбы этих размеров метчик является практически единственным видом инструмента, целесообразным для промышленного применения. Основными особенностями, отличающими метчик от других видов инструмента, являются малая (0,31,5 мм) протяженность режущих лезвий, их различная длина на его перьях, контакт с обработанной поверхностью в процессе остановки и вывинчивания метчика. Это создает тяжелые условия резания, вызывает защемление снимаемой стружки, усиливает явления схватывания в процессе контакта инструмента с деталью и т.д.

Резьба, нарезаемая метчиком, в идеальном случае должна повторять профиль резьбы метчика. Однако даже самое точное изготовление метчика не гарантирует получения высококачественной резьбы /47/.

Сложность геометрической формы рабочей поверхности метчика, невозможность повышения производительности обработки за счет увеличения скорости резания из-за ограниченной длины резьбы и необходимости реверса, недостаточная надежность работы обусловливают необходимость проведения большого количества исследований по совершенствованию конструкций, поиску материала для оснащения его режущей части с целью повышения срока службы инструмента, производительности резьбонарезания и улучшения качества обработки.

Работы по исследованию процесса резьбонарезания и совер -шенствованию конструкций метчиков проводятся во многих организациях и промышленных предприятиях, в том числе в МВТУ им.Баумана, Челябинском, Ленинградском и других политехнических институтах, ВНИИ (инструментальном), Московскофтанкоинструментальном институте, Горьковском автозаводе, Ярославском моторном заводе и т.д.

Одним из направлений совершенствования конструкций метчиков и повышения эффективности процесса резьбонарезания является оснащение метчиков прогрессивными инструментальными материалами, в том числе твердыми сплавами. Несмотря на ряд выполненных в этом направлении работ [" I, 24, 26, 40, 54, 66, 81, 92, 94, 97, 98]? в настоящее время вопрос о применении твердых сплавов для оснащения метчиков требует дальнейшего изучения, особенно для метчиков, работающих в условиях многоинструментальных наладок. Такой инструмент подвергается дополнительным нагрузкам из-за действия неуравновешенных сил, возникающих вследствие взаимовлияния одновременно работающих метчиков. Низкие скорости (1,5-20 м/мин) резания обусловливают адгезионный вид износа. Заборную часть метчика, с целью экономии машинного времени, стремятся выполнять максимально короткой, что ухудшает условия центрирования метчика, приводит к перекосу метчика относительно оси отверстия и неравномерной нагрузке перьев. Наличие на автоматических станках 'устройств для принудительной подачи по копиру приводит к тому, что распределение нагрузок между перьями, сохраняется в течение всего периода стойкости. Нарезание резьбы как в сквозных, так и в глухих отверстиях производится с реверсом, что, особенно при горизонтальном расположении шпинделей, может приводить к защемлению стружки затылованной поверхностью его зубьев при вывинчивании инструмента. Кроме того^эксплуатация метчиков на автоматических станках налагает требование к обеспечению стабильно высокого периода стойкости всего комплекта инструментов.

Учитывая хрупкость твердого сплава и руководствуясь требованием повысить износостойкость и надежность таких метчиков, проведем анализ и попытаемся определить, есть ли -такой инструментальный материал, который,будучи на уровне износостойкости твердого сплава, обеспечивал бы требуемую долговечность и надежность работы метчиков в этих условиях, характеризующихся дополнительно возникающими нагрузками.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ приемочной комиссии

1. Считать принятыми метчики насадные, оснащенные твердым сплавом, для трубной цилиндрической резьбы I 1/4" труб, при обработке чугунных отопительных радиаторов.

2. Рекомендовать представленные метчики для эксплуатации на предприятиях Министерства промышленности строительных материалов и других министерств.

3. Рекомендовать представленные метчики к постановке на производство специализированными инструментальными заводами Минстанкопрома.

Председатель комиссии Члены комиссии:

A4е^шш^ерна, зав. отделом, д. т. н,

О.А.Розенберг

О аг «г . £ 'V :f ¿V

О, V /Ъ г* ¿' ,ir

7oà/?t/c6

7ûc>/?uc6

7а д лисj,

7ûà/?ttCb

7оЭпись

7од ли С6

7adf?u£6

7 о длись 77од/)ИСб

Диденко А.Ф. Тышкевич А.Б. Дудник Д.В. Мирошниченко С.А. Романов В.П. Диденко С.И. Рыбак В.Я. Самарин О.В. Заря A.C. Квасницкий И.А.